A positive feedback loop between Sox2 and Sox6 inhibits neuronal differentiation in the developing central nervous system

Abstract

중추 신경계의 발생은 자가 재생 능력과 다분화능을 가진 신경 줄기 세포로부터 만들어진 다양한 종류의 신경세포와 신경교세포로 형성되는 것으로 알려져 있다. 이러한 과정은 많은 전사인자들에 의해 적절한 시기와 위치에서 정확하게 발생하도록 조절되어진다. Sox2는 신경 줄기 세포의 자가 재생 능력을 유지시켜주는 주요한 전사인자이다. Sox2는 DNA binding domain인 HMG box를 포함하는 유전자이며, 이 HMG domain은 DNA의 minor groove의 특정 서열에 결합하여 target 유전자의 발현을 조절하는 것으로 알려져 있다. 이 유전자의 과발현은 분화를 억제한다고 보고된 바 있다. 본 연구에서는 ChIP-on-chip assay를 통해 Sox2의 target을 찾고 기능을 알아보는 실험을 진행하였다. 먼저 Sox2의 target으로 Sox6를 선별하였고, comparative genomic analysis를 통해 Sox6 유전자의 promoter 부분에 잠재적인 Sox2 결합부위가 존재함을 확인하였으며, ChIP 실험과 promoter assay를 통하여 잠재적인 부위에 Sox2가 결합하여 promoter 활성을 증가시킨다는 결과를 확인하였다. 그 다음, Sox2와 Sox6가 mouse와 chick의 중추 신경계에서 함께 발현되는 것을 확인하였고, in vivo에서 Sox2가 Sox6의 발현을 증가시키는 것을 보았다. 그리고 Sox2에 의해 활성화된 Sox6의 기능을 알아보기 위하여, Sox6 유전자의 과발현 실험과 knock down 실험을 진행한 결과, Sox6의 과발현은 Sox2의 발현을 증가시켰으며, Sox6의 knock down 실험은 Sox2의 발현을 감소시키고, 분화된 운동 신경세포의 marker인 Isl1/2 positive 세포들이 premature하게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통하여 Sox6의 기능은 Sox2가 발현되는 신경줄기 세포를 미분화된 상태로 유지시키는 기능을 하는 것임을 알 수 있다. 그리고 이러한 기능은 Sox6가 Sox2를 직접적 직접적으로 조절하는 것이 아니라, Sox6의 target 유전자를 비활성화시켜 Sox2의 발현이 유지되도록 해주는 것임을 확인하였다. 이 실험을 통하여, 신경줄기세포가 premature하게 분화되지 않고, 필요한 시기와 장소에서 적절하게 분화되기 위하여 Sox 유전자간의 positive 조절기전이 존재함을 확인할 수 있었다.;Development of the central nervous system (CNS) features various types of neurons and glial cells being generated from a pool of progenitor cells that are capable of self-renewal and differentiation. While spatial and temporal control of differentiation has been extensively characterized, relatively little is known about the mechanism of self-renewal or maintenance of progenitor population which must be coordinated with differentiation. One of the key transcription factors for self-renewal is Sox2. It has been shown that over-expression of this gene inhibits neuronal differentiation in vivo. In order to dissect the molecular mechanisms of Sox2 activity, we attempted to identify direct target genes of Sox2 using ChIP-on-chip assay. One of the proposed targets, Sox6 has been studied in detail. We show that Sox2 indeed binds to conserved Sox-binding-elements in the promoter of Sox6 and that Sox2 promotes expression of Sox6 gene in a manner dependent on the identified enhancer elements. In vivo, Sox6 is expressed in the ventricular zone of developing CNS with a temporal lag compared to Sox2 consistent with that Sox2 targets Sox6. We demonstrate that Sox2 promotes expression of Sox6 as a transcriptional activator in vivo as well. Interestingly, gain- and loss-of-function assays indicate that Sox6 promotes Sox2 expression suggesting that a positive feedback loop, which functions to inhibit premature neuronal differentiation, exists between the two genes.