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Function of NADPH oxidase 4 (Nox4) in BMP2-dependent differentiation of neural crest stem cells

Title
Function of NADPH oxidase 4 (Nox4) in BMP2-dependent differentiation of neural crest stem cells
Authors
조규은
Issue Date
2011
Department/Major
대학원 생명·약학부생명과학전공
Publisher
이화여자대학교 대학원
Degree
Master
Advisors
배윤수
Abstract
Neural crest stem cells (NCSCs) are multipotent and self-renewing Peripheral nervous system (PNS) neural progenitors that can differentiate to neurons, glia, and smooth muscle cells. BMP2 appears to be a key player in differentiation of murine neural crest stem cells induction. Several evidences suggest that reactive oxygen species (ROS) play a key regulatory role of regulation of cell growth and differentiation. NADPH oxidases generate ROS as second messengers in tightly controlled signal transduction networks. Because NADPH oxidase 4 (Nox4) was predominately expressed in NCSC, we hypothesized that BMP2 stimulates Nox4-dependent ROS production. In this thesis, we found that BMP2 stimulates neuronal differentiation for NCSCs through Nox4-induced ROS generation. To validate the function of Nox in differentiation of NCSCs, we used Nox inhibitors. Nox inhibitor 89403 had strong inhibition of all Nox isozymes. Nox inhibitor 7619 had more specific inhibition of Nox4-dependent ROS generation. Incubation of NCSCs with Nox inhibitors 89403 or 7619 regulated in BMP2-dependent neuronal differentiation. Furthermore, neuronal cell differentiation was strongly attenuated in 10.5 days of Nox4 knockout mice embryo. Taken together, Nox4 plays an important role in neuronal cell differentiation of NCSC. Therefore, we have demonstrated that Nox4 is an important component in neural crest stem cells for neuronal differentiation by BMP2.;신경능선 줄기세포(neural crest stem cells)는 초기 배 발생과정에서 나타나는 줄기세포로서 척추동물에만 존재하며 신경판 (neural plate)과 표피성외배엽 (epidermal ectoderm)의 경계에서 발생한다. 이 세포는 배근신경절 (dorsal root ganglia), 자율신경계의 신경세포, 교세포로 분화할 수 있는 신경줄기세포로 알려져 있으며 무한정 자가재생 (self-renewal)과 다양한 세포로 분화가 가능한 다분화능 (multipotency)을가지고 있는 세포이다. 또한 말초신경계에서 여러 성장조절인자에 의해서 신경세포 (neuron), 평활근세포 (smooth muscle cell), 교세포 (glial cell)로의 다양한 분화가 가능하다. 그 중에서 BMP2는 신경능선 줄기세포의 신경세포로의 분화를 유도한다. 유기호흡을 하는 세포내의 산화/환원 변화는 superoxide anion radical(02^(-□)), H2O2, lipid peroxide, nitric oxide들을 광범위하게 포함하는 활성산소종 (reactive oxygen species, ROS)의 생성과 소멸로 나타난다. 초기 연구에 따르면 높은 농도의 활성산소종이 핵산, 지질 및 단백질 등의 생체 중요 화합물에 산화적 손상 (oxidative stress)을 일으켜서 세포의 손상을 초래한다고 알려졌으나 최근 많은 연구들에서 활성산소종은 단순히 호흡과정에서 생성되는 부산물이 아니라 외부자극에 의하여 세포막에 존재하는 수용체를 통하여 일시적으로 생성되는 세포신호전달의 이차신호전달물질 (second messenger)로서 작용한다는 결과들이 보여지고 있다. 즉, 외부 신호에 의하여 특정 지역에서 생성되는 낮은 농도의 활성산소종은 세포의 성장과 분화, 사멸등의 세포기능을 조절한다. NADPH oxidase (Nox)는 세포막에 존재하는 막단백질로서 활성산소종의 중요한 생성원이다. NADPH oxidase는 초기 연구에서 알려진 Nox2 (gp91phox) 외에도 Nox1, Nox3, Nox4, Doux1/2의 유사체가 있다. 이 유사체들은 구조적인 유사성에도 불구하고 생성하는 활성산소종의 양, 작용하는 메커니즘이 다르다. 조직마다 발현의 정도 또한 다른데 그 중에서도 Nox4는 신장, 평활근세포, 내피세포 그리고 신경관련 세포에 많이 발현되어 있다. 우리는 신경능선 줄기세포에서 NADPH oxidase 4 (Nox4)가 다른 유도체에 비해 절대적으로 많이 발현되어 있는 것을 통해 BMP2가 신경능선 줄기세포를 신경세포로 분화시키는데에 Nox4가 필요하다는 것을 알았다. 위의 사실을 확인하기 위해서 Nox 저해제들을 사용하였다. 89403은 Nox의 모든 유도체를 저해하는 작용을 하고 7619는 다른 유도체보다 Nox4를 조금 더 저해한다. 이 두 물질을 이용하여 Nox4가 신경능선 줄기세포에서 BMP2로 인해 신경세포로 분화하는데 중요함을 알게 되었다. 또한 Nox4의 유전자를 없앤 쥐를 사용하여 10.5일의 배아상태에서 배근신경절 (dorsal root ganglia)의 발달진행을 살펴본 결과 신경능선 줄기세포가 배근신경절에서 신경세포로 분화하는데 있어서 Nox4가 중요한 역할을 할 가능성이 보여졌다. 위의 결과들을 통해 활성산소종을 매개로 하는 신경능선 줄기세포에서의 Nox4 역할이 중요하다는 것을 알았다. 이는 Nox4로 인한 활성산소종이 척추동물에서의 발달에서 결정적인 역할을 할 수 있다는 가능성을 시사한다.
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일반대학원 > 생명·약학부 > Theses_Master
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