ARID2 유전자 반수체결손에서 보이는 지적 장애와 Ras-MAPK 신호체계 항진의 연관성

Abstract

Introduction: Intellectual disability (ID) is a developmental condition related to impaired intellectual and adaptive cognitive behaviors. The underlying etiology is highly heterogeneous from single gene mutations to chromosomal abnormalities. The enhanced Ras-Mitogen activated protein kinase (MAPK) signaling pathway during development affects a neuronal organization and connectivity and results in a variable cognitive impairment in Noonan syndrome (NS) and NS-related disorders. The purpose of this study was to identify the causative gene in the patients with overlapping NS phenotype who had the 12q12-13.11 deletion. Methods: Transient knockout study using small hairpin RNA (shRNA) in HeLa cell was performed to evaluate the transcriptional effect of deleted genes. The activities of ERK1/ERK2, Akt, and RSP6 in shRNA-ARID2, and the expression of IFITM1 and Caveolin-1 (CAV-1) in patient’s fibroblast were measured by western analysis. To determine whether this gene was involved in the patient’s phenotype, we generated a deletion in exon 1 of mouse Arid2 using CRISPR/Cas9 gene editing. Results: Transient ARID2 knock out with small hairpin RNA in HeLa cell showed increased ERK1/ERK2 activation, but not the activities of Akt and RSP6. Also, expression of IFITM1, which interacts with CAV-1 and inhibits ERK activation, is dependent on ARID2 expression and the expression levels of IFITM1 and CAV-1 significantly decreased in the patient’s fibroblast. This suggested the ARID2 haploinsufficiency enhance Ras-MAPK signaling via decreased expression of IFITM1 and CAV-1. Arid2 haploinsufficient mice showed reduced body size and learning/memory deficit. Conclusion: Our results suggested that ARID2 haploinsufficiency, which is associated with enhanced ERK activity, causes clinical features of 12q12 deletion. In addition, the Arid2 haploinsufficiency in mice leads to growth impairment and learning/memory deficit. |목적: 지적 장애는 지능과 적응 행동의 장애를 보이는 발달 장애로서, 단일 유전자 이상에서부터 염색체의 이상까지 다양한 유전적 변이가 원인이 될 수 있다. 누난 증후군과 연관 질환에서 Ras mitogen-activated protein kinase (Ras-MAPK) 신호전달계의 항진은 신경계의 발달 과정에서 조직의 구성과 연결에 영향을 끼쳐 다양한 정도의 인지 장애를 초래하게 된다. 본 연구에서는 경한 지적 장애와, 저신장, 얼굴 형태 이상 등 누난증후군과 유사한 임상양상을 보인 12q11 미세결실을 가진 환자의 표현형이 ARID2 유전자의 반수체 결손과 연관되어 있음을 밝히고자 하였다. 방법: 결손된 유전자와 연관된 신호전달체계를 알아보기 위하여 HeLa세포에서 small hairpin RNA를 이용하여 knockout 연구를 진행하였다. ERK1/EKR2, Akt, RSP6의 활성도와 IFITM1, CAV-1의 발현 정도는 western analysis를 통하여 측정하였다. 또한 이 유전자가 환자의 임상양상과 연관이 있는지 알아보기 위하여 CRISPR/Cas9 시스템을 이용하여 Arid2의 반수체결손을 가지는 쥐모델을 제작하였다. 결과: 결손된 유전자의 HeLa 세포에서 small hairpin RNA를 통하여 ARID2 유전자의 기능을 일시적으로 제거하였을 때 ERK1와 ERK2의 활성도가 증가되었지만, Akt나 RSP6이 활성도는 변화를 보이지 않았다. 또한 IFITM1은 ARID2에 의해 발현이 조절되면서 ERK 활성을 억제하고 CAV-1과 상호작용하여 ERK를 억제하는 것으로 알려져 있는데, 환자의 섬유아세포에서 IFITM1와 CAV-1의 발현이 유의미하게 감소하여 있음을 확인하였다. 이것은 ARID2의 반수체결손이 IFITM1와 CAV-1의 발현을 감소시켜 Ras-MAPK 신호체계를 항진시키는 것을 시사한다. Arid2의 반수체결손을 가지는 쥐는 몸무게와 길이가 작았고, 학습 및 기억 장애를 동반하였다. 결론: 본 연구에서는 12q12 결실에서의 임상증상의 원인은 ARID2 반수체 결손으로 인한 것이며, 이것은 ERK의 항진과 연관됨을 확인하였다. 또한 Arid2 반수체 결손을 가진 쥐는 성장 장애와 학습장애를 보여 환자와 유사한 임상을 보이는 것을 확인하였다. 이 쥐 모델을 이용하여 Arid2 반수체 결손에서 보이는 지적 장애와 연관된 기능 연구를 추가적으로 해볼 수 있겠다.