RAS-ERK신호전달 경로는 여러 세포에 존재한다고 알려져 있는 신호전달 경로로써 세포의 생존, 생장과 같은 다양한 세포 기능에 관여한다. 뿐만 아니라, Ras-Erk 신호전달 경로는 학습과 기억과 같은 뇌 기능에 중요한 역할을 하고 있으며, 활성화된 Ras-Erk 신호전달 경로는 신경전달물질 분비와 전사과정에 관여한다. RAS-ERK 신호전달 경로는 RAS, RAF, MEK, ...
RAS-ERK신호전달 경로는 여러 세포에 존재한다고 알려져 있는 신호전달 경로로써 세포의 생존, 생장과 같은 다양한 세포 기능에 관여한다. 뿐만 아니라, Ras-Erk 신호전달 경로는 학습과 기억과 같은 뇌 기능에 중요한 역할을 하고 있으며, 활성화된 Ras-Erk 신호전달 경로는 신경전달물질 분비와 전사과정에 관여한다. RAS-ERK 신호전달 경로는 RAS, RAF, MEK, ERK 등의 주요 인자와 SHP2, NF1, SYNGAP1등의 조절 인자들로 구성되어 있으며, 이 경로에 관여하는 유전자들의 돌연변이에 의해서 다양한 질병이 발생하게 되는데 이를 RASopathy라고 부르고, 누난 증후군, 신경섬유종 1형, 심장-얼굴-피부 증후군 등이 이에 속한다. RASopathy 환자의 임상적 특징으로는 작은 키, 안면기형, 인지장애 등이 보고되어 있으며 대부분의 경우 RAS-ERK 신호전달 경로가 과활성화되어 있다. 기존 보고된 다양한 연구들에서 RASopathy 연관 돌연변이 유전자는 특정 신경세포의 손상을 유도한다고 알려져 있다. 그러나 세포 타입 특이적 병태생리에 대한 정확한 메커니즘은 아직까지 명확하게 밝혀져 있지 않다. 본 학위논문에서는 'RAS-ERK 신호전달 경로가 세포타입별로 다르게 구성되어 있을 것이며 이로 인해 세포타입 특이적인 손상이 유발될 것이다' 라는 가설을 증명하기 위한 연구를 진행하였다. Chapter 1에서는 학습과 기억에 RAS-ERK 신호전달 경로 연관 유전자들의 세포 타입 특이적인 역할을 리뷰하고, RASopathy관련 유전자들의 세포 타입 특이적인 병리적 결과에 관한 논문들을 정리하였으며, 이어지는 chapter들에서는 RASopathy에서 보이는 세포 타입 특이적 병리 메커니즘을 다양한 실험 방법들을 사용하여 규명하고자 하였다. Chapter 2 에서는 생쥐 해마에서 세포 타입 별 전사체 분석을 수행하여 Ras 신호전달 경로 구성 인자들의 세포 타입 별 발현 양상이 흥분성 신경세포와 억제성 신경세포 사이에 유의하게 차이가 있음을 확인하였다. 중요한 예로, 억제성 신경세포 특이적인 표현형을 유발한다고 알려진 Nf1 의 발현이 흥분성 뉴런보다 억제성 뉴런에 유의미하게 높은 것을 확인하였으며, 이 결과는 생쥐 해마 뿐만 아니라 인간 대뇌 피질에서도 검증하였다. Chapter 3에서는 누난 신드롬 원인 유전자로 알려져 있는 SHP2D61G의 세포 타입 특이적 발현이 시냅스 가소성과 학습과 기억에 미치는 영향을 연구하였다. 전기생리학적, 분자생물학적 연구를 통해, SHP2D61G가 매개하는 흥분성 신경세포 특이적인 손상을 확인하였으며 이는 SHP2 결합 단백질인 Gab1과 Grb2가 억제성 뉴런에 비해 흥분성 뉴런에 많이 발현되어 있기 때문임을 확인하였다. Chapter 4에서는 억제성 신경세포 특이적으로 발현된 KRasG12V 돌연변이가 시냅스 전달과 행동에 어떤 영향을 미치는지 연구하였으며 억제성 신경세포 특이적인 ERK 활성화와 억제성 신경 전달의 증가를 통해 학습과 기억 장애가 유도되는 것을 확인하였다. 본 학위논문을 통해서RASopathy에서 보여지는 세포 타입 특이적인 영향이 세포타입에 따른 RASopathy 연관 유전자들의 발현 양상의 차이 때문이라는 가설을 증명하였다. 이 연구를 통해 RASopathy 환자가 가지는 인지기능 장애 치료 약물을 개발 시 약물의 특이성을 높이기 위해 세포 타입 특이적인 연구가 필수적으로 수행되어야 한다는 것을 제시할 수 있었으며 본 학위 논문에 수록된 결과들이 RASopathy의 병리학적 메커니즘 연구와 치료 약물 개발에 유용한 자료로 사용될 것으로 사료된다.
RAS-ERK신호전달 경로는 여러 세포에 존재한다고 알려져 있는 신호전달 경로로써 세포의 생존, 생장과 같은 다양한 세포 기능에 관여한다. 뿐만 아니라, Ras-Erk 신호전달 경로는 학습과 기억과 같은 뇌 기능에 중요한 역할을 하고 있으며, 활성화된 Ras-Erk 신호전달 경로는 신경전달물질 분비와 전사과정에 관여한다. RAS-ERK 신호전달 경로는 RAS, RAF, MEK, ERK 등의 주요 인자와 SHP2, NF1, SYNGAP1등의 조절 인자들로 구성되어 있으며, 이 경로에 관여하는 유전자들의 돌연변이에 의해서 다양한 질병이 발생하게 되는데 이를 RASopathy라고 부르고, 누난 증후군, 신경섬유종 1형, 심장-얼굴-피부 증후군 등이 이에 속한다. RASopathy 환자의 임상적 특징으로는 작은 키, 안면기형, 인지장애 등이 보고되어 있으며 대부분의 경우 RAS-ERK 신호전달 경로가 과활성화되어 있다. 기존 보고된 다양한 연구들에서 RASopathy 연관 돌연변이 유전자는 특정 신경세포의 손상을 유도한다고 알려져 있다. 그러나 세포 타입 특이적 병태생리에 대한 정확한 메커니즘은 아직까지 명확하게 밝혀져 있지 않다. 본 학위논문에서는 'RAS-ERK 신호전달 경로가 세포타입별로 다르게 구성되어 있을 것이며 이로 인해 세포타입 특이적인 손상이 유발될 것이다' 라는 가설을 증명하기 위한 연구를 진행하였다. Chapter 1에서는 학습과 기억에 RAS-ERK 신호전달 경로 연관 유전자들의 세포 타입 특이적인 역할을 리뷰하고, RASopathy관련 유전자들의 세포 타입 특이적인 병리적 결과에 관한 논문들을 정리하였으며, 이어지는 chapter들에서는 RASopathy에서 보이는 세포 타입 특이적 병리 메커니즘을 다양한 실험 방법들을 사용하여 규명하고자 하였다. Chapter 2 에서는 생쥐 해마에서 세포 타입 별 전사체 분석을 수행하여 Ras 신호전달 경로 구성 인자들의 세포 타입 별 발현 양상이 흥분성 신경세포와 억제성 신경세포 사이에 유의하게 차이가 있음을 확인하였다. 중요한 예로, 억제성 신경세포 특이적인 표현형을 유발한다고 알려진 Nf1 의 발현이 흥분성 뉴런보다 억제성 뉴런에 유의미하게 높은 것을 확인하였으며, 이 결과는 생쥐 해마 뿐만 아니라 인간 대뇌 피질에서도 검증하였다. Chapter 3에서는 누난 신드롬 원인 유전자로 알려져 있는 SHP2D61G의 세포 타입 특이적 발현이 시냅스 가소성과 학습과 기억에 미치는 영향을 연구하였다. 전기생리학적, 분자생물학적 연구를 통해, SHP2D61G가 매개하는 흥분성 신경세포 특이적인 손상을 확인하였으며 이는 SHP2 결합 단백질인 Gab1과 Grb2가 억제성 뉴런에 비해 흥분성 뉴런에 많이 발현되어 있기 때문임을 확인하였다. Chapter 4에서는 억제성 신경세포 특이적으로 발현된 KRasG12V 돌연변이가 시냅스 전달과 행동에 어떤 영향을 미치는지 연구하였으며 억제성 신경세포 특이적인 ERK 활성화와 억제성 신경 전달의 증가를 통해 학습과 기억 장애가 유도되는 것을 확인하였다. 본 학위논문을 통해서RASopathy에서 보여지는 세포 타입 특이적인 영향이 세포타입에 따른 RASopathy 연관 유전자들의 발현 양상의 차이 때문이라는 가설을 증명하였다. 이 연구를 통해 RASopathy 환자가 가지는 인지기능 장애 치료 약물을 개발 시 약물의 특이성을 높이기 위해 세포 타입 특이적인 연구가 필수적으로 수행되어야 한다는 것을 제시할 수 있었으며 본 학위 논문에 수록된 결과들이 RASopathy의 병리학적 메커니즘 연구와 치료 약물 개발에 유용한 자료로 사용될 것으로 사료된다.
Rat sarcoma (RAS)-extracellular signal-regulated kinase (ERK) signaling is a ubiquitous signaling pathway and involved in numerous cellular functions and biological processes such as cell proliferation, migration, fate specificity, and differentiation. RAS-ERK signaling also plays critical roles in ...
Rat sarcoma (RAS)-extracellular signal-regulated kinase (ERK) signaling is a ubiquitous signaling pathway and involved in numerous cellular functions and biological processes such as cell proliferation, migration, fate specificity, and differentiation. RAS-ERK signaling also plays critical roles in brain functions such as learning and memory by regulating the neurotransmitter release and transcription. RAS-ERK signaling consists of the major components such as RAS, RAF, MEK, and ERK and supporting modulators such as SHP2, NF1, and SynGAP1. RASopathies are caused by mutations in the genes that encode components of the RAS-ERK signaling pathway. RASopathies share clinical symptoms, including heart defects, delayed growth, and intellectual disabilities, while each RASopathy also displays unique phenotypes. Recent studies using RASopathy mouse models showed that distinct cell types in the nervous system are differentially affected among different RASopathies, such as Noonan syndrome (NS) and neurofibromatosis 1 (NF-1). However, the molecular mechanisms underlying the cell type-specific pathophysiology are still unclear. In my dissertation, I hypothesized that each cell type might contain distinct RAS-ERK signaling network contributing to the cell type-specific pathophysiology in RASopathy. In chapter 1, I reviewed the cell type-specific roles of the RAS-ERK related genes in learning and memory. Furthermore, I reviewed previous literatures investigating the molecular mechanisms underlying the cell type-specific pathophysiology in RASopathy by summarizing and analyzing the cell type-specific phenotypes in various animal models of RASopathies. In the following chapters, I investigated molecular mechanisms that could account for the cell type-specific effects of RAS-ERK signaling associated genes using single cell type-transcriptome analyses together with biochemical, behavioral, and electrophysiological approaches. In chapter 2, cell type-specific gene expression profiles in mouse hippocampus were analyzed to examine whether the RAS-ERK signaling networks are different between excitatory and inhibitory neurons. I revealed that the compositions of RAS-ERK signaling pathways are different between two neuronal cell types in mice. For example, Nf1 expression is significantly higher in inhibitory neurons than in excitatory neurons in mouse hippocampus. In consistent with transcriptome data of mice hippocampus, I confirmed the expression level of NF1 mRNA is also higher in inhibitory neurons than in excitatory neurons in the human cortex. In chapter 3, I tested the effect of expressing a NS-associated SHP2D61G in excitatory or inhibitory neurons on synaptic plasticity and behavior. SHP2D61G expression resulted in the excitatory neuron-specific phenotypes in ERK activation, long-term potentiation and memory. I showed that excitatory neuron-specific disruption of the interaction between SHP2 and its binding protein Gab1 can rescue the deficits in LTP. Finally, I showed that SHP2D61G can activate Ras signaling pathway in inhibitory neurons by expressing SHP2-interacting proteins Gab1 and Grb2 in inhibitory neurons. In chapter 4, I investigated the impacts of inhibitory neuron-specific manipulation of RAS signaling by expressing KrasG12V in hippocampal inhibitory neurons. I found that the expression of KRASG12V in inhibitory neurons impairs learning and memory by increasing RAS-ERK signaling in inhibitory neurons. In my dissertation, I demonstrated that RASopathy-associated genes are differentially expressed between excitatory and inhibitory neurons, which may be responsible for the cell type-specific pathophysiology of individual RASopathy. Furthermore, my study suggests that when developing drugs for cognitive dysfunction of RASopathy patients, cell type-specific approach should be considered to increase drug specificities.
Rat sarcoma (RAS)-extracellular signal-regulated kinase (ERK) signaling is a ubiquitous signaling pathway and involved in numerous cellular functions and biological processes such as cell proliferation, migration, fate specificity, and differentiation. RAS-ERK signaling also plays critical roles in brain functions such as learning and memory by regulating the neurotransmitter release and transcription. RAS-ERK signaling consists of the major components such as RAS, RAF, MEK, and ERK and supporting modulators such as SHP2, NF1, and SynGAP1. RASopathies are caused by mutations in the genes that encode components of the RAS-ERK signaling pathway. RASopathies share clinical symptoms, including heart defects, delayed growth, and intellectual disabilities, while each RASopathy also displays unique phenotypes. Recent studies using RASopathy mouse models showed that distinct cell types in the nervous system are differentially affected among different RASopathies, such as Noonan syndrome (NS) and neurofibromatosis 1 (NF-1). However, the molecular mechanisms underlying the cell type-specific pathophysiology are still unclear. In my dissertation, I hypothesized that each cell type might contain distinct RAS-ERK signaling network contributing to the cell type-specific pathophysiology in RASopathy. In chapter 1, I reviewed the cell type-specific roles of the RAS-ERK related genes in learning and memory. Furthermore, I reviewed previous literatures investigating the molecular mechanisms underlying the cell type-specific pathophysiology in RASopathy by summarizing and analyzing the cell type-specific phenotypes in various animal models of RASopathies. In the following chapters, I investigated molecular mechanisms that could account for the cell type-specific effects of RAS-ERK signaling associated genes using single cell type-transcriptome analyses together with biochemical, behavioral, and electrophysiological approaches. In chapter 2, cell type-specific gene expression profiles in mouse hippocampus were analyzed to examine whether the RAS-ERK signaling networks are different between excitatory and inhibitory neurons. I revealed that the compositions of RAS-ERK signaling pathways are different between two neuronal cell types in mice. For example, Nf1 expression is significantly higher in inhibitory neurons than in excitatory neurons in mouse hippocampus. In consistent with transcriptome data of mice hippocampus, I confirmed the expression level of NF1 mRNA is also higher in inhibitory neurons than in excitatory neurons in the human cortex. In chapter 3, I tested the effect of expressing a NS-associated SHP2D61G in excitatory or inhibitory neurons on synaptic plasticity and behavior. SHP2D61G expression resulted in the excitatory neuron-specific phenotypes in ERK activation, long-term potentiation and memory. I showed that excitatory neuron-specific disruption of the interaction between SHP2 and its binding protein Gab1 can rescue the deficits in LTP. Finally, I showed that SHP2D61G can activate Ras signaling pathway in inhibitory neurons by expressing SHP2-interacting proteins Gab1 and Grb2 in inhibitory neurons. In chapter 4, I investigated the impacts of inhibitory neuron-specific manipulation of RAS signaling by expressing KrasG12V in hippocampal inhibitory neurons. I found that the expression of KRASG12V in inhibitory neurons impairs learning and memory by increasing RAS-ERK signaling in inhibitory neurons. In my dissertation, I demonstrated that RASopathy-associated genes are differentially expressed between excitatory and inhibitory neurons, which may be responsible for the cell type-specific pathophysiology of individual RASopathy. Furthermore, my study suggests that when developing drugs for cognitive dysfunction of RASopathy patients, cell type-specific approach should be considered to increase drug specificities.
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