Identification and in silico pathway analysis of the differentially expressed genes in bone marrow and adipose tissues of Cotl1 knockout mice - 김도완 (The Graduate School, Ajou University, 2023)
액틴(actin)은 세포골격(cytoskeleton)을 구성하는 가장 중요한 단백질로, 세포의 분화, 증식 및 성장에 매우 중요한 역할을 한다. 세포골격은 액틴 역동(actin dynamics) 이라고 불리는 액틴 필라멘트의 조립과 분해에 의해 만들어지며, 액틴 역동은 다수의 액틴 결합 단백질(actin-binding protein)에 의해 조절된다. 액틴 역동과 세포분화 사이의 연관성은 뼈와 지방 조직과 같은 중간엽 조직으로 분화할 수 있는 중간엽 줄기세포(mesenchymal stem cell: MSC)의 연구에서 잘 알려져 있다. Coactosin-like protein 1(COTL1)은 액틴 역동과 관련된 액틴 필라멘트에 결합하여 MSC 의 세포 분화를 조절하는 핵심적인 액틴 조절 단백질 중의 하나이다. 본 연구는, 야생형(wild type: WT)과 Cotl1 유전자 제거(Cotl1 gene knockout mouse; Cotl1-/-) 마우스의 골수 및 지방조직에서 발현에 변화를 나타내는 유전자를 발굴하고 이에 대한 in silico 경로 분석을 통해 MSC 의 세포 분화에 관여하는 COTL1 연관 인자를 찾는 것을 목적으로 하였다. 차세대염기서열분석장치(next-generation sequencer)를 이용한 RNA 염기서열 분석(RNA-sequencing)을 통해 전장(whole genome) 유전체의 RNA 발현 데이터를 얻은 후, WT 과 Cotl1-/- 마우스 조직 간의 차등 발현 유전자(differentially expressed gene: DEG)를 분석하였다. Cotl1-/- 마우스 골수에서 970 개 유전자가 WT 마우스에 비해 하향 조절(down-regulation)되었고, 594 개 유전자는 상향 조절(up-regulation)되었으며, 지방 조직에서는 251 개 유전자가 하향 조절되었고, 1,427 개 유전자가 상향 조절되어 있었다. IPA(Ingenuity Pathway Analysis) 방법을 활용하여 발굴된 DEG 에 대한 질병 및 생물학적 관련 기능 분석을 시행한 결과, Cotl1 유전자의 결핍에 의해 나타난 DEG 는 골수세포에서는 ‘세포 기능’ 과 ‘골격계 발달’과 연관성이 있는 유전자가, 지방 조직에서는 ‘세포 기능’ 과 ‘지질 대사’와 연관성이 있는 유전자가 대부분 포함되어 있음이 밝혀졌다. 또한, DEG 에 대한 in silico 경로 분석을 통해 Cotl1 결핍이 골수 및 지방조직에서 MSC 의 ‘세포 발달’과 관련된 다양한 질병 및 생물학적 기능에 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 구체적으로, 액틴 필라멘트의 형성, 뼈 재구성(bone remodeling), 지방 형성, 파골세포 및 지방세포의 분화 기능이 감소할 것으로 예측되었으며, 골화(ossification), 대사성 골 질환 및 지질 대사 장애 등과 관련된 기능과 활성이 증가할 것으로 예측되었다. 이러한 결과의 종합적인 분석과 고찰을 통해 ‘액틴’, ‘뼈’, ‘지질’의 핵심어와 공통적으로 연관성이 높게 나타난 12 종의 유전자를 발굴하였고, 이들 유전자의 WT 마우스와 Cotl1-/- 마우스에서의 발현량의 차이를 정량 PCR(quantitative PCR: qRT-PCR) 실험을 통해 검증하였다. 상기의 결과를 바탕으로 Cotl1-/- 마우스의 뼈와 지방조직의 분화와 관련된 표현형(phenotype)을 조사한 결과, Cotl1-/- 마우스는 WT 마우스에 비해 골밀도가 증가되고, 고지방식이(high-fat diet)를 하였을 때 WT 마우스에 비해 체중증가가 억제되는 것을 발견하였다. 결론적으로, Cotl1 유전자 제거 마우스의 골수 및 지방 조직에서의 차등 발현 유전자 분석과 이에 대한 in silico 경로 분석을 통해, 액틴 결합 단백질인 COTL1 이 뼈와 지방세포의 분화에 중요한 역할을 한다는 사실을 밝혔다.
학위논문(박사)--아주대학교 일반대학원 :의학과,2023. 2
Keywords: Actin-binding protein; COTL1; Cotl1 gene; Cotl1 knock-out mouse; Differentially expressed gene; In silico pathway analysis