[학위논문]자폐스펙트럼장애 환자 유래 신경세포와 뇌오가노이드를 활용한 병태생리 연구 Studies on pathophysiology of Autism Spectrum Disorder using iPSC-derived neurons and brain organoids원문보기
최근 전장유전체 연관분석 결과로 다운증후군 세포접착분자(DSCAM)가 자폐스펙트럼장애(ASD)의 고위험 유전인자임이 밝혀졌다. 그러나 DSCAM이 ASD 병태생리에 관여하는 분자메커니즘에 대해서는 알려진 바가 거의 없었다. 최근, 인간 유도만능줄기세포(iPSC) 기법의 발전으로 유전적 돌연변이와 신경 ...
최근 전장유전체 연관분석 결과로 다운증후군 세포접착분자(DSCAM)가 자폐스펙트럼장애(ASD)의 고위험 유전인자임이 밝혀졌다. 그러나 DSCAM이 ASD 병태생리에 관여하는 분자메커니즘에 대해서는 알려진 바가 거의 없었다. 최근, 인간 유도만능줄기세포(iPSC) 기법의 발전으로 유전적 돌연변이와 신경 발달장애의 병태생리학간의 관계에 대한 기전 연구가 촉진되었다. 본 연구에서는 ASD에서 DSCAM 돌연변이의 기능적 영향을 조사하기 위해 먼저 환자 특이적 iPSC 및 건강한 대조군 iPSC로부터 전뇌 유사 유도 신경세포(iN cell)를 제작하였는데, 대조군 iN 세포에 비해 ASD 환자 유래 iN 세포에서 DSCAM 발현이 감소되었음을 발견하였다. 이들 대조군과 ASD iN 세포의RNA 염기서열 분석 결과, NMDA-R 소단위를 포함하는 시냅스 전달 관련 유전자가 ASD iN 세포에서 유의하게 감소하는 것으로 나타났으며, 정량적 RT-PCR로 확인하였다. DSCAM 돌연변이와 감소된 NMDA-R 사이의 인과관계는 ASD iN 세포에 전장 DSCAM 을 외인성 도입함으로써 NR1 발현이 대조군 수준으로 회복되는 것으로 더욱 더 확인되었다. 또한, 내인성 DSCAM이 대조군 iN 세포에서 RNA 간섭에 의해 하향 조절되었을 때, NR1 발현도 하향 조절되었고, 이 하향 조절은 RNA 간섭 저항성 형태의 전장 DSCAM 발현에 의해 회복되었다. 이러한 발견은 정상적인 NR1 발현을 위해 야생형 DSCAM이 필요함을 암시한다. 다음으로, DSCAM 돌연변이가 신경발생 과정에 미치는 병태생리학적 결과를 조사하기 위해 ASD iPSC로부터 피질 오가노이드 (CO)를 제작하였는데, 대조군 CO에 비해 ASD CO에서 DSCAM 및 NMDA-R 발현이 감소되는 것을 확인하였다. 요약하면, ASD 환자에서 DSCAM 돌연변이는 NMDA-R 기능 장애를 통해 ASD 표현형에 기여할 수 있을 것이다.
최근 전장유전체 연관분석 결과로 다운증후군 세포접착분자(DSCAM)가 자폐스펙트럼장애(ASD)의 고위험 유전인자임이 밝혀졌다. 그러나 DSCAM이 ASD 병태생리에 관여하는 분자메커니즘에 대해서는 알려진 바가 거의 없었다. 최근, 인간 유도만능줄기세포(iPSC) 기법의 발전으로 유전적 돌연변이와 신경 발달장애의 병태생리학간의 관계에 대한 기전 연구가 촉진되었다. 본 연구에서는 ASD에서 DSCAM 돌연변이의 기능적 영향을 조사하기 위해 먼저 환자 특이적 iPSC 및 건강한 대조군 iPSC로부터 전뇌 유사 유도 신경세포(iN cell)를 제작하였는데, 대조군 iN 세포에 비해 ASD 환자 유래 iN 세포에서 DSCAM 발현이 감소되었음을 발견하였다. 이들 대조군과 ASD iN 세포의RNA 염기서열 분석 결과, NMDA-R 소단위를 포함하는 시냅스 전달 관련 유전자가 ASD iN 세포에서 유의하게 감소하는 것으로 나타났으며, 정량적 RT-PCR로 확인하였다. DSCAM 돌연변이와 감소된 NMDA-R 사이의 인과관계는 ASD iN 세포에 전장 DSCAM 을 외인성 도입함으로써 NR1 발현이 대조군 수준으로 회복되는 것으로 더욱 더 확인되었다. 또한, 내인성 DSCAM이 대조군 iN 세포에서 RNA 간섭에 의해 하향 조절되었을 때, NR1 발현도 하향 조절되었고, 이 하향 조절은 RNA 간섭 저항성 형태의 전장 DSCAM 발현에 의해 회복되었다. 이러한 발견은 정상적인 NR1 발현을 위해 야생형 DSCAM이 필요함을 암시한다. 다음으로, DSCAM 돌연변이가 신경발생 과정에 미치는 병태생리학적 결과를 조사하기 위해 ASD iPSC로부터 피질 오가노이드 (CO)를 제작하였는데, 대조군 CO에 비해 ASD CO에서 DSCAM 및 NMDA-R 발현이 감소되는 것을 확인하였다. 요약하면, ASD 환자에서 DSCAM 돌연변이는 NMDA-R 기능 장애를 통해 ASD 표현형에 기여할 수 있을 것이다.
Recent genome-wide association study (GWAS) showed that Down syndrome cell adhesion molecule (DSCAM) was linked to autism spectrum disorder (ASD) as a highly penetrant genetic risk factor. However, little is known about the molecular mechanism of DSCAM mutation in ASD pathophysiology. Recent advance...
Recent genome-wide association study (GWAS) showed that Down syndrome cell adhesion molecule (DSCAM) was linked to autism spectrum disorder (ASD) as a highly penetrant genetic risk factor. However, little is known about the molecular mechanism of DSCAM mutation in ASD pathophysiology. Recent advances in human induced pluripotent stem cell (iPSC) technique boosted mechanistic studies of the relationship between genetic mutations and the pathophysiology of neurodevelopmental disorders. In this study, to investigate the functional consequences of the DSCAM mutation in ASD pathophysiology, we firstly generated forebrain-like induced neuronal (iN) cells from patient-specific iPSCs and healthy control iPSCs. We found that DSCAM expression was reduced in ASD patient-derived iN cells compared to control iN cells. RNA sequencing analysis of these control and ASD iN cells showed that synaptic transmission-related genes, including NMDA-R subunits, were significantly decreased in ASD iN cells, which was confirmed by quantitative RT-PCR. The causal relationship between the DSCAM mutation and decreased NMDA-R was further confirmed by exogenous introduction of full-length DSCAM in ASD iN cells, in which NR1 expression was restored to a control level. In addition, when the endogenous DSCAM was down-regulated by RNA interference in control iN cells, NR1 expression was also down-regulated, and this down-regulation was restored by the shRNA-resistant form of full-length DSCAM expression. These findings suggested the requirement of wild-type DSCAM for normal NR1 expression. Next, we generated human cortical organoids (hCOs) from the ASD iPSCs to examine the pathophysiological consequences of DSCAM mutation during neural development. We confirmed reduced DSCAM and NMDA-R expression in ASD hCOs compared to control hCOs. In summary, DSCAM mutations might contribute to ASD phenotypes through NMDA-R dysfunction in ASD patients.
Recent genome-wide association study (GWAS) showed that Down syndrome cell adhesion molecule (DSCAM) was linked to autism spectrum disorder (ASD) as a highly penetrant genetic risk factor. However, little is known about the molecular mechanism of DSCAM mutation in ASD pathophysiology. Recent advances in human induced pluripotent stem cell (iPSC) technique boosted mechanistic studies of the relationship between genetic mutations and the pathophysiology of neurodevelopmental disorders. In this study, to investigate the functional consequences of the DSCAM mutation in ASD pathophysiology, we firstly generated forebrain-like induced neuronal (iN) cells from patient-specific iPSCs and healthy control iPSCs. We found that DSCAM expression was reduced in ASD patient-derived iN cells compared to control iN cells. RNA sequencing analysis of these control and ASD iN cells showed that synaptic transmission-related genes, including NMDA-R subunits, were significantly decreased in ASD iN cells, which was confirmed by quantitative RT-PCR. The causal relationship between the DSCAM mutation and decreased NMDA-R was further confirmed by exogenous introduction of full-length DSCAM in ASD iN cells, in which NR1 expression was restored to a control level. In addition, when the endogenous DSCAM was down-regulated by RNA interference in control iN cells, NR1 expression was also down-regulated, and this down-regulation was restored by the shRNA-resistant form of full-length DSCAM expression. These findings suggested the requirement of wild-type DSCAM for normal NR1 expression. Next, we generated human cortical organoids (hCOs) from the ASD iPSCs to examine the pathophysiological consequences of DSCAM mutation during neural development. We confirmed reduced DSCAM and NMDA-R expression in ASD hCOs compared to control hCOs. In summary, DSCAM mutations might contribute to ASD phenotypes through NMDA-R dysfunction in ASD patients.
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