성인에서의 저산소증 (hypoxia)은 고형암의 증식, 조직허혈, 그리고 감염과정으로 유발된다. 한편, 포유동물의 발생과정에 있어서 수정에서부터 착상에 이르기까지 세포 내 물질대사를 위해 생체는 산소를 요구하고 있으며 이는 모체 자궁의 난관으로부터 공급된다. 그러 ...

성인에서의 저산소증 (hypoxia)은 고형암의 증식, 조직허혈, 그리고 감염과정으로 유발된다. 한편, 포유동물의 발생과정에 있어서 수정에서부터 착상에 이르기까지 세포 내 물질대사를 위해 생체는 산소를 요구하고 있으며 이는 모체 자궁의 난관으로부터 공급된다. 그러나 gastrulation이후 급속히 성장하는 배아의 크기로 인해 산소의 효율적인 확산이 저해되면서 저산소상태가 형성되는데 이는 초기배아가 혈관형성이 일어나기 전까지 저산소의 환경에서 적응하며 성장한다는 것을 의미한다. 따라서 이러한 저산소증에 대응하는 분자적인 조절기전은 정상적인 분화의 유도와 기관형성의 제어, 유지에 중요한 역할을 할 것으로 사료된다. 하지만, 저산소상태에 배아가 어떻게 적응하고 반응하는지 그리고 산소분압이 초기배아발생과정에 어떠한 영향을 미치는지에 대해서 많은 연구가 필요한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 확립된 생쥐 배아줄기세포의 in vitro culture를 통해 저산소증이 초기배아 발생과정에 미치는 영향과 그 분자기전을 알아보고자 하였다.
생쥐 배아줄기세포(mouse embryonic stem cell)는 생쥐의 착상 전 초기발생단계의 배아로부터 확립이 되었으며 무한 기간 동안 자신의 미분화능 (self-renewal)을 유지하거나 거의 모든 세포 형태로 분화할 수 있는 다능성 (pluripotency)을 가진 세포이다. 생쥐 배아줄기세포는 인간의 배아줄기세포와는 달리 영양세포층 (embryonic feeder layer)과 공동배양을 하지 않고도 serum과 leukemia inhibitory factor (LIF)의 첨가만으로 미분화 상태를 유지 시킬 수 있는데 이는 생쥐 배아줄기세포의 다능성과 미분화 유지에 있어 LIF의 중요한 역할을 의미한다. LIF에 의한 신호전달기전은 그 수용체인 LIFR와 gp130이 결합하여 개시되는데 이 복합체의 하부 신호전달은 주로 JAK/Stat3 (signal transducer and activator of transduction) 신호 전달계를 경유하여 일어나며 활성화된 Stat3는 생쥐 배아줄기세포의 다능성과 미분화 유지에 필수적인 역할을 하는 것으로 보고되었다.
따라서 본 연구에서는 저산소증이 생쥐 배아줄기세포의 초기분화에 미치는 영향과 그 분자기전을 in vitro culture를 통해 규명하고자 하였다. 그 결과 저산소증은 LIF가 첨가된 상태에서도 배아줄기세포의 미분화능을 저해하고 초기분화를 유도함을 확인되었고 이러한 현상은 LIF 결핍으로 유도되는 배아줄기세포의 분화과정과 흡사하게 세포사멸과정을 동반하여 유도됨을 확인하였다. 또한 저산소증이 LIF-Stat3 신호전달과정을 저해함으로써 배아줄기세포의 초기분화를 유도함을 규명하였고 이는 저산소상태에서 활성화되는 전사조절인자인 hypoxia-inducible factor-1a (HIF-1a)에 의해 조절됨을 확인하였다. 흥미롭게도 HIF-1a는 LIF의 수용체인 LIFR의 프로모터 영역에 존재하는 reverse hypoxia-responsive element (rHRE)에 선택적으로 결합함으로써 LIFR의 전사를 저해함을 입증하였다. 이는 HIF-1a의 과다발현 (overexpression)과 siRNA를 통한 gene knockdown을 통해 재차 확인하였다. 결론적으로 본 연구에서는 저산소증이 생쥐 배아줄기세포의 미분화능을 억제하고 초기분화를 유도하며 이는 HIF-1a를 경유한 LIF-Stat3 신호전달의 저해를 통해 일어남을 규명하였다.
이상의 연구는 생쥐 배아줄기세포가 초기배아에 존재하는 저산소증에 의해 미분화능이 억제되고 초기분화가 유도되는 현상과 그 분자기전을 규명한 결과로서 생쥐 배아줄기세포의 초기 분화조절과 산소와의 연관성을 밝히는데 중요한 실마리를 제공할 것으로 사료된다.

During mammalian embryogenesis, the early embryo grows in a relatively hypoxic environment due to a restricted supply of oxygen. The molecular mechanisms underlying modulation of self-renewal and differentiation of mouse embryonic stem cells (mESC) un ...

During mammalian embryogenesis, the early embryo grows in a relatively hypoxic environment due to a restricted supply of oxygen. The molecular mechanisms underlying modulation of self-renewal and differentiation of mouse embryonic stem cells (mESC) under such hypoxic conditions remain to be established. Here, we show that hypoxia inhibits mESC self-renewal and induces early differentiation in vitro, even in the presence of leukemia inhibitory factor (LIF). These effects are mediated by down-regulation of the LIF-Stat3 signaling pathway. Under conditions of hypoxia, HIF-1a suppresses transcription of LIF-specific receptor (LIFR) by directly binding to the reverse hypoxia-responsive element (rHRE) located in the LIFR promoter. Ectopic expression and siRNA knockdown of HIF-1a verified the inhibitory effect of this transcription factor on LIFR transcription. Our findings collectively suggest that hypoxia-induced early differentiation of mESCs is triggered by the HIF-1a-mediated suppression of LIF-Stat3 signaling.

During mammalian embryogenesis, the early embryo grows in a
relatively hypoxic environment due to a restricted supply of oxygen. The
molecular mechanisms underlying modulation of self-renewal and
differentiation of mouse embryonic stem cells (mESC) ...

During mammalian embryogenesis, the early embryo grows in a
relatively hypoxic environment due to a restricted supply of oxygen. The
molecular mechanisms underlying modulation of self-renewal and
differentiation of mouse embryonic stem cells (mESC) under such hypoxic
conditions remain to be established. Here, it is shown that hypoxia inhibits
mESC self-renewal and induces early differentiation in vitro, even in the
presence of leukemia inhibitory factor (LIF). These effects are mediated by
down-regulation of the LIF-Stat3 signaling pathway. Under conditions of
hypoxia, HIF-1α suppresses transcription of LIF-specific receptor (LIFR)
by directly binding to the reverse hypoxia-responsive element (rHRE)located in the LIFR promoter. Ectopic expression and siRNA knockdown
of HIF-1α verified the inhibitory effect of this transcription factor on LIFR
transcription. Present findings collectively suggest that hypoxia-induced
early differentiation of mESCs is triggered by the HIF-1α-mediated
suppression of LIF-Stat3 signaling.

본 과제에서는 in vitro 줄기세포 배양을 통해 초기발생과정에서의 저산소증에 의한 분화조절기전과 혈관형성 기전을 규명하였다. 이러한 연구결과는 실제 발생과정에서의 산소의 역할과 산소농도에 따른 분화조절의 측면 뿐 아니라 in vitro에서 산소농도에 따라 혈관분 ...

본 과제에서는 in vitro 줄기세포 배양을 통해 초기발생과정에서의 저산소증에 의한 분화조절기전과 혈관형성 기전을 규명하였다. 이러한 연구결과는 실제 발생과정에서의 산소의 역할과 산소농도에 따른 분화조절의 측면 뿐 아니라 in vitro에서 산소농도에 따라 혈관분화를 유도할 수 있는 시스템을 확립함으로써 최근 대두되고 있는 cell therapy의 연구영역에 획기적인 발전을 가속화시킬 것으로 생각된다.