Exploring communication factors specific to hippocampal neural stem cell survival through exosome analysis

Abstract

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The Graduate School of the University of Ulsan Department of Medical Science Taekwon Moon

Background Hippocampal neural stem cells are highly sensitive to insulin and die in its absence. However, the impact of insulin deficiency on the interactions between hippocampal-derived neural stem cells and neighboring glial cells remains poorly understood. This contributes to the progression of diseases such as neurodegenerative cognitive disorders. Exosomes, secreted by various cells, contain substances like nucleic acids (DNA, RNA), proteins, and lipids involved in cell-to-cell signaling. miRNAs, in particular, are key communication vehicles for these interactions.

Aim The aim of this study is to investigate exosome-derived miRNAs involved in the survival of hippocampus-derived neural stem cells and to determine their role in interactions with other nervous system cells. Furthermore, the potential of miRNAs as biomarker will be explored.

Results I successfully isolated exosomes secreted by hippocampus-derived neural stem cells under insulin-deficient conditions using ExoQuick-TC precipitation solution. The typical EV markers such as CD9 were confirmed by western blotting. Candidate miRNAs whose expression changes were detected by microarray were screened, and the miRNAs with increased expression were studied. I performed RT-qPCR on the selected miRNAs to reconfirm their increased expression. Over-expression experiments were conducted with the selected miRNAs, revealing that miR-4*1-5p affected the expression of the mTOR complex in astrocytes and microglia, while miR-2*3-3p had little effect in these cell types.

Conclusions My experiments indicate that exosome-derived miRNAs, particularly miR-4*1-5p, can significantly influence intracellular signaling pathways in neighboring glial cells by affecting the mTOR complex in astrocytes and microglia. In contrast, miR-2*3-3p showed little effect on these pathways. This suggests that specific miRNAs play distinct roles in the regulation of cellular processes under insulin-deficient conditions.

Keywords Hippocampal neural stem cells, Exosomes, MicroRNA, Cell signaling, Biomarkers|국문 요약

배경 해마 유래 신경줄기세포는 인슐린에 매우 민감하여 인슐린 결핍 시 사멸하는 특성을 보이고 있다. 하지만 당뇨 병증과 같은 상태에서 나타나는 해마 유래 신경줄기세포의 손상이 주변 교세포들과의 상호작용에 어떠한 영향을 미치는지. 이를 통해 궁극적으로 신경 퇴행성 인지장애 등의 질병 발생과 진행에 어떠한 영향을 주는지는 밝혀진 바가 거의 없다. 다양한 세포에서 분비되는 것으로 알려진 엑소좀은 세포 간 신호전달에 관여하는 핵산(DNA, RNA), 단백질 지방 등 다양한 물질을 포함하고 있는데, 그 중에서도 miRNA는 세포 간 상호작용의 주요 소통 수단으로 간주되고 있다.

목적 본 연구에서 해마에서 유래한 신경줄기세포의 생존에 관련된 엑소좀 유래 miRNA를 조사하고, 이들이 다른 신경계 세포와의 상호작용에서 어떤 역할을 하는지 규명하고자 한다. 또한, 바이오 마커로서 miRNA의 가능성을 탐색하고자 한다.

결과 인슐린 결핍 조건에서 해마 유래 신경줄기세포가 분비하는 엑소좀을 ExoQuick-TC 침전 용액을 사용하여 성공적으로 분리하였다. CD9와 같은 대표적인 EV 마커를 웨스턴 블롯팅으로 확인하였다. 마이크로어레이를 통해 발현 변화가 감지된 후보 miRNA를 선별하고, 발현이 증가된 miRNA를 연구하였다. 선별된 miRNA를 대상으로 RT-qPCR을 수행하여 발현 증가를 재확인하였다. 선별된 miRNA를 대상으로 과발현 실험을 수행한 결과, miR-4*1-5p는 성상세포와 미세아교세포에서 mTOR 복합체의 발현에 영향을 미치는 반면, miR-2*3-3p는 이러한 세포 유형에 거의 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.

결론 본 연구결과에 따르면 엑소좀 유래 miRNA, 특히 miR-4*1-5p는 성상교세포와 미세아교세포의 mTOR 복합체에 영향을 미침으로써 인접한 아교세포의 세포 내 신호 경로에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 반면, miR-2*3-3p는 이러한 경로에 거의 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 이는 인슐린 결핍 조건에서 세포 과정의 조절에 특정 miRNA가 뚜렷한 역할을 한다는 것을 시사한다.

중심 단어 해마 유래 신경줄기세포, 엑소좀, MicroRNA, 세포 신호, 바이오 마커