miR-351-5p/Miro2에 의한 신경줄기세포의 생존조절 연구와 알츠하이머병 치료 타겟 발굴

Abstract

Background The neurogenesis process in the adult hippocampal region serves to maintain the plasticity of brain structure and function. The importance of maintaining adult neural stem cells in the hippocampal region has been confirmed in observations of patients with Alzheimer’s disease (AD) where decreases in hippocampal neural stem (HCN) cells have been observed. Though the abnormal expression of specific microRNAs (miRNAs) has been reported in AD, the role of miRNAs in HCN cells is not yet known. In recent studies, I discovered miR-351-5p, which regulates the survival of HCN cells, and used the bioinformatics tools to excavate the mitochondrial GTPase Miro2 as a target gene.

Aim This study attempts to elucidate the mechanism that regulates the cell death of HCN cells through miR-351-5p and its target gene, Miro2.

Results First, I ascertained autophagy-dependent cell death (ADCD) in HCN cells by overexpressing miR-351-5p or suppressing the expression of Miro2 using Miro2-specific siRNA. Additionally, I showed that cell death was inhibited by overexpressing Miro2 using adenovirus. Pink1-Parkin-dependent mitophagy occurs excessively during this cell death process, and mitochondrial dysfunction was demonstrated by mitochondrial membrane depolarization, reduced ATP production capacity, and ROS overproduction. In particular, I showed that the dramatic increase of the fragmented mitochondria is a crucial event leading to ADCD using a mitochondrial fission blocker Mdivi-1. Moreover, using in situ hybridization, real-time PCR, and immunohistochemistry, the expression of miR-351-5p was observed to significantly increase and the expression of Miro2 substantially decrease in the AD mouse model. Conclusion The data suggest that the reduction of Miro2 due to the overexpression of miR-351-5p leads to excessive fission and mitophagy stress of the mitochondria, which in turn negatively affects HCN cell survival. As enhancing HCN cell viability is expected to compensate for deficient neurogenesis in patients with AD, the confirmation of miR-351-5p’s dysregulation is an important step in therapeutic developments.

Keywords: Hippocampal neural stem cells, miR-351-5p, Miro2, cell death, autophagy, mitophagy, fission, Alzheimer’s disease

|국문 초록

배경 성체 뇌 해마 영역의 신경줄기세포는 뇌의 구조와 기능적 가소성을 유지하는 기능을 한다. 성체 신경줄기세포 역할의 중요성은 알츠하이머병을 가진 환자의 뇌에서 신경세포군이 급격히 감소되어 있는 현상에서 확인할 수 있다. 알츠하이머병에서 특정 miRNA들의 비정상적인 발현이 보고된 바가 있지만, 해마 영역의 성체 신경줄기세포에서의 miRNA 역할에 대해서는 아직까지 알려진 바가 없다.

목적 본 연구에서는 miR-351-5p와 그 타깃유전자인 Miro2를 통하여 해마유래 성체신경줄기세포에서 miRNA의 역할, 특히 해마유래 성체신경 줄기세포의 생존과 사멸을 조절하는 메커니즘에 대해 연구하고자 하였다.

결과 이전 연구를 통해 해마유래 성체신경줄기세포의 생존을 조절하는 miR-351-5p를 찾아냈고, Bioinformatics tool을 사용하여 표적유전자로서 mitochondrial GTPase인 Miro2를 발굴하였다. miR-351-5p를 과발현 시키거나 siRNA를 이용한 Miro2 발현 저해 시 해마유래 성체 신경줄기세포에서 자가 포식 의존적 세포 사멸이 유도되었고, 아데노바이러스를 이용하여 Miro2를 과발현 시켰을 때 세포사멸이 저해되는 것을 확인하였다. 이 세포사멸 과정에서 Pink1-Parkin에 의존적인 mitophagy가 과하게 일어남을 확인하였고, 이와 더불어 미토콘드리아 막의 탈분극, ATP생산능력의 저하를 확인하여 미토콘드리아의 기능손상을 입증하였다. 이 외에도 단편화 된 미토콘드리아가 지나치게 많아지는 것이 관찰되었으며, 미토콘드리아의 단편화를 막아주는 Mdivi-1을 세포에 전처리 하였을 때 miR-351-5p 또는 siMiro2에 의해 감소되었던 미토콘드리아의 기능손상이 회복되고, mitophagy가 유도되지 않으며, 세포사멸이 일어나는 것을 막아주는 것을 확인했다.

결론 본 연구 결과는 miR-351-5p의 과발현으로 인해 Miro2의 발현이 저해되는 것이 미토콘드리아의 과도한 단편화 및 mitophagy를 유도하고, 이것이 해마유래 성체신경줄기세포의 생존을 조절할 수 있는 중요한 현상임을 시사한다. 또한 이러한 현상을 조절하여 해마유래 성체 신경줄기세포의 생존율을 향상시키는 것은 알츠하이머병 등의 퇴행성 뇌질환에서 부족한 신경세포의 기능을 보완하여 질병의 진행을 늦춰줄 수 있는 가능성을 나타낸다.

중심 단어 해마유래 신경줄기세포, miR-351-5p, Miro2, 세포사멸, 자가포식작용, 미토파지, 알츠하이머병