KR101556439B1 - A Role and Use of RXR related to mitochondrial retrograde signaling pathways - Google Patents
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Abstract
본 발명은 미토콘드리아 tRNALeu에서의 A3243G 변이(mt3243)에 따른 미토콘드리아 역행성 신호 경로에 대한 RXRα(retinoid X receptor alpha)의 연관성에 관한 것으로, 보다 구체적으로 미토콘드리아 mt3243 변이에 의해 미토콘드리아 기능 이상이 생기는 기전에 있어서의 RXRα-PGC1a 상호작용 및 이에 따른 분자적 메커니즘을 이용하는 다양한 용도에 관한 것이다.The present invention relates to the association of retinoid X receptor alpha (RXRα) with the mitochondrial retrograde signaling pathway according to the A3243G mutation (mt3243) in mitochondrial tRNALeu, and more specifically, in the mechanism of mitochondrial dysfunction caused by mitochondrial mt3243 mutation Lt; RTI ID = 0.0 > RXRa-PGC1a < / RTI > interaction and thus the molecular mechanism.
Description
본 발명은 미토콘드리아 tRNALeu에서의 A3243G 변이(mt3243)에 따른 미토콘드리아 역행성 신호 경로에 대한 RXRα(retinoid X receptor alpha)의 연관성에 관한 것으로, 보다 구체적으로 미토콘드리아 mt3243 변이에 의해 미토콘드리아 기능 이상이 생기는 기전에 있어서의 RXRα-PGC1a 상호작용 및 이에 따른 분자적 메커니즘을 이용하는 다양한 용도에 관한 것이다.The present invention relates to the association of retinoid X receptor alpha (RXRα) with the mitochondrial retrograde signaling pathway according to the A3243G mutation (mt3243) in mitochondrial tRNALeu, and more specifically, in the mechanism of mitochondrial dysfunction caused by mitochondrial mt3243 mutation Lt; RTI ID = 0.0 > RXRa-PGC1a < / RTI > interaction and thus the molecular mechanism.
일반적으로 미토콘드리아는 세포 내에 존재하는 소기관으로 "세포의 발전소"로 알려져 있다. 미토콘드리아는 세포에서 ATP를 생성할 뿐 아니라 세포사멸(apoptosis), 이온 항상성(ion homeostasis), 당 및 지방 대사 (intermediary metabolism), 피리미딘(pyrimidine)/유레아(urea)/헴(heme) 합성 등 세포/개체의 생명유지에 필수적인 기능을 수행한다(Schatz, 2007).In general, mitochondria are organelles present in cells and are known as "cell power plants". Mitochondria produce not only ATP in cells but also cells such as apoptosis, ion homeostasis, intermediary metabolism, pyrimidine / urea / heme synthesis, / It performs functions essential for maintaining life of an individual (Schatz, 2007).
동물세포에서 미토콘드리아는 핵 이외에 유전자를 포함하고 있는 유일한 세포내 소기관(organelle)으로서, 한 개의 세포안에는 수십에서 수백 개(copy)의 미토콘드리아 DNA(mtDNA)가 존재한다. 그러나 미토콘드리아에 존재하는 대부분(99% 이상)의 단백질들은 핵에서 합성된 mRNA가 세포질로 이동하고, 세포질에서 전구체(precursor) 형태의 단백질로 합성이 완성된 후 미토콘드리아로 이동하는 과정(post-translational transport)을 통하는 핵 유전자-유래 단백질(nDNA-encoded proteins) 들이다(Neupert and Herrmann, 2007). 한편 미토콘드리아 유전자 (mitochondrial DNA, mtDNA)는 사람의 경우 16,569bp 크기이며, 원형구조를 가지고 있다. mtDNA는 13개의 단백질에 대한 개방판독틀(open reading frame; ORF)를 가지고 있으며, 12S 및 16S rRNA, 그리고 22개의 tRNA 를 만들어 낸다. mtDNA가 만드는 13개의 단백질들은 산화적 인산화(oxidative phosphorylation)에 관여하는 5개 의 전자전달계 (electron transport chain complex)중 복합체 II (complex II) 를 제외한 복합체 I, III, IV, V의 서브유닛 단백질(subunit protein)들이다. 이 13개 mtDNA-유래 단백질(mtDNA-encoded proteins)은 미토콘드리아 내에서 mtDNA를 주형(template)으로 하여 mRNA를 만들고, 미토콘드리아 내에 존재하는 tRNA, rRNA를 사용하여 단백질을 합성한다(Wallace, 2007). 이 mtDNA에 의해 합성되는 13개 단백질의 합성과정이 원핵세포(prokaryote)의 단백질 합성원리와 유사하기 때문에 미토콘드리아의 기원을 원핵세포의 세포내 기생관계(symbiosis)로 설명하기도 한다. 따라서 미토콘드리아는 두 개의 유전자가 만드는 하나의 세포내 소기관이라고 정의할 수 있으며, 이는 미토콘드리아의 생성(biogenesis) 및 기능을 이해하는 기본 개념이 된다.In animal cells, mitochondria are the only intracellular organelles that contain genes in addition to the nucleus, and there are dozens to hundreds of copies of mitochondrial DNA (mtDNA) in a single cell. However, most (more than 99%) of the proteins present in the mitochondria migrate into the cytoplasm of the mRNA synthesized in the nucleus, and the post-translational transport of the mature protein into the mitochondria after synthesis of the precursor protein in the cytoplasm (Neupert and Herrmann, 2007). Nucleotide-encoded proteins are a family of proteins, Mitochondrial DNA (mtDNA), on the other hand, is 16,569 bp in size and has a circular structure. mtDNA has an open reading frame (ORF) for 13 proteins, produces 12S and 16S rRNA, and 22 tRNAs. The 13 proteins made by mtDNA are the subunit proteins of complexes I, III, IV and V except the complex II of the electron transport chain complexes involved in oxidative phosphorylation subunit proteins. These 13 mtDNA-encoded proteins make mRNAs with mtDNA as a template in mitochondria and synthesize proteins using tRNA and rRNA in mitochondria (Wallace, 2007). Because the synthesis of 13 proteins synthesized by this mtDNA is similar to the protein synthesis principle of prokaryotes, the origin of mitochondria is explained by the intracellular symbiosis of prokaryotes. Thus, mitochondria can be defined as a single intracellular organelle created by two genes, which is a basic concept for understanding the biogenesis and function of mitochondria.
미토콘드리아의 생성은 미토콘드리아에 존재하는 단백질과 지방질의 합성, 수송, 결합을 망라하는 복합 과정으로 정의할 수 있다. 미토콘드리아의 수(abundance), 모양(morphology), 그리고 기능(functional properties)은 세포특이적인 에너지, 대사, 신호전달 요구에 부응하기 위해 미세하게 조절된다. 이를 위해 핵에서 코드(code)되는 많은 수의 미토콘드리아 유전자들과 mtDNA의 복제(replication) 및 전사(transcription)를 조절하는 인자들의 전사 및 발현이 상호 협력적으로 조절되는 것이 필수적이다(Ryan and Hoogenraad, 2007). 그러나 미토콘드리아의 생성조절은 일시적으로 증가하는 에너지 요구량에 부응하기 위한 것이라기보다는 장기간에 걸친 적응반응(adaptive response)로 생각된다. 또한, 약 50%의 미토콘드리아 단백질은 조직 특이적으로 발현되기때문에 미토콘드리아 단백질군(proteome)이 조직-특이적 기능을 가지고 있다고 생각된다.The production of mitochondria can be defined as a complex process involving the synthesis, transport, and binding of proteins and lipids present in the mitochondria. The abundance, morphology, and functional properties of mitochondria are finely tuned to meet cell-specific energy, metabolism, and signaling requirements. For this, it is essential that the transcription and expression of a large number of nucleotide-encoded mitochondrial genes and the factors that regulate mtDNA replication and transcription co-ordinate (Ryan and Hoogenraad, 2007). However, regulation of mitochondrial production is thought to be an adaptive response over a longer period of time rather than to respond to a temporarily increasing energy demand. In addition, since about 50% of the mitochondrial proteins are expressed in a tissue-specific manner, it is considered that the mitochondrial proteome has a tissue-specific function.
미토콘드리아 기능 손상은 노화와 관련된 퇴행성 질환, 즉, 비만, 당뇨, 대사증후군, 인슐린 저항증, 심혈관질환(Kim et al., 2008), 파킨슨병, 헌팅톤병, 치매(Lin and Beal, 2006) 등과 상관관계가 있는 것으로 조사된다. 즉, 이들 질병 모델에서 미토콘드리아의 전자현미경사진은 정상에 비해 부풀어 커져 있거나, 크리스타(cristae) 구조가 소실되는 등의 구조적 변형을 보이기도 하고, 세포당 미토콘드리아 DNA(mtDNA)의 수가 감소된 경우도 있으며, mtDNA가 돌연변이(mutation)된 경우도 관찰되었다. 사람 및 동물을 대상으로 노화에 따른 미토콘드리아 기능변화를 모니터링하였을 때, 노화가 진행됨에 따라 미토콘드리아 DNA(mtDNA)의 복제수 및 mtRNA가 감소하였으며(Barazzoni, 2004), Attardi 등은 노화에 따라 mtDNA 복제 및 전사의 조절부위인 D-loop 중 T414G, T408A 돌연변이가 축적됨을 보고하였다(Michikawa et al., 1999; Wang et al., 2001). 최근에는 이런 신경퇴행성 질환의 발병을 유발하는 인자로 동정되는 물질들이 미토콘드리아에 존재하거나, 또는 미토콘드리아 기능 손상과 밀접한 관련이 있음이 보고되고 있다(Beal, 1995; Chen & Yan, 2007; Scheffler, 2008;Wallace, 2005).Mitochondrial impairment correlates with aging-related degenerative diseases such as obesity, diabetes, metabolic syndrome, insulin resistance, cardiovascular disease (Kim et al., 2008), Parkinson's disease, Huntington's disease, dementia (Lin and Beal, 2006) The relationship is investigated. In other words, electron microscopic photographs of mitochondria in these disease models show structural changes such as swelling or disappearance of the cristae structure compared to normal, and the number of mitochondrial DNA (mtDNA) per cell may be decreased, Mutation of mtDNA was also observed. Attention has been paid to the effects of aging on mtDNA replication and mtDNA degradation as aging progresses (MtDNA) and mtRNA decrease (Barazzoni, 2004) T414G and T408A mutations accumulate in the D-loop, the regulatory region of transcription (Michikawa et al., 1999; Wang et al., 2001). Recently, it has been reported that the substances identified as factors causing the neurodegenerative diseases are present in the mitochondria or are closely related to the mitochondrial function impairment (Beal, 1995, Chen & Yan, 2007; Scheffler, 2008; Wallace, 2005).
미토콘드리아 DNA (mtDNA) 역학은 중요한 진단 도구이다. mtDNA에서 돌연변이는 종종 발전하는 질병의 예비 지시자이고, 질병의 시작과 연관된 위험 인자들을 지시하는 바이오마커로서 작용한다.
Mitochondrial DNA (mtDNA) epidemiology is an important diagnostic tool. Mutations in mtDNA are often a preliminary indicator of developing disease and serve as biomarkers that point to risk factors associated with the onset of the disease.
특히, 본 발명자들은 미토콘드리아 게놈에 의해 코딩되는 산화적 인산화에 관여하는 단백질의 양을 감소시키는, tRNALeu에서 A3243G 변이(mt3243)를 가지는 미토콘드리아 DNA (mtDNA) 변이에 따른 유전자 발현 프로파일링을 통해, 세포 내 전사인자인 RXRα(retinoid X receptorα)가 관여함을 밝히고 이의 미토콘드리아 역행성 신호에 관련된 경로와의 관련성을 확인하고 본 발명을 완성하였다.In particular, the present inventors have found that by profiling gene expression according to mitochondrial DNA (mtDNA) mutations with the A3243G mutation (mt3243) in tRNALeu, which reduces the amount of protein involved in oxidative phosphorylation encoded by the mitochondrial genome, (Retinoid X receptor alpha), and confirmed its involvement in the pathway involved in the mitochondrial retrograde signal, thus completing the present invention.
본 발명은 특정 미토콘드리아 DNA 돌연변이의 RXRα(retinoid X receptorα) 및 미토콘드리아 역행성 신호 경로(Mitochondrial Retrograde Signaling Pathways)와의 관련성을 기초로 한 것으로The present invention is based on the association of certain mitochondrial DNA mutations with RXRa (retinoid X receptor alpha) and mitochondrial retrograde signaling pathways
본 발명의 주요한 목적은 미토콘드리아의 tRNALeu에서의 A3243G 변이(mt3243) 및 RXRα의 관계성에 따른 다양한 용도를 제공하는 것이다. The main object of the present invention is to provide various uses depending on the relationship of A3243G mutation (mt3243) and RXRa in tRNALeu of mitochondria.
본 발명의 다른 목적은 상기 mt3243 변이에 따른 미토콘드리아 기능 이상에 대한 다양한 정보를 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide various information on mitochondrial dysfunction according to the mt3243 mutation.
본 발명의 또 다른 목적은 mt3243-관련 미토콘드리아 기능 이상을 포함하는 질병에 따른 진단 및 치료적 용도를 제공하는 데 있다.It is another object of the present invention to provide diagnostic and therapeutic uses for diseases involving mt3243-related mitochondrial dysfunction.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 미토콘드리아 mt3243 변이에 의해 미토콘드리아 기능 이상이 생기는 기전에 있어서의 RXRα-PGC1a 상호작용 및 이에 따른 분자적 메커니즘을 이용하는 다양한 용도를 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention provides various uses of RXRa-PGC1a interaction and thus molecular mechanism in the mechanism of mitochondrial dysfunction caused by mitochondrial mt3243 mutation.
일 구체적인 태양으로 본 발명은 In one specific embodiment,
RXRα의 발현 또는 활성 촉진제; 또는 RXRα의 발현 또는 활성 촉진제가 도입된 세포를 유효성분으로 포함하는, 미토콘드리아 기능 이상 관련 질환 치료 및 예방용 조성물을 제공한다.An expression or activity promoter of RXRa; Or a cell into which an expression or activity promoter of RXR? Has been introduced as an active ingredient. The present invention also provides a composition for treating or preventing a mitochondrial dysfunction-related disease.
상기 RXRα는 미토콘드리아에서 PGC1a (peroxisome proliferator-activated receptor g, coactivator 1 a) 전사인자와 상호작용함으로써 산화적 인산화 및 번역 관련 유전자의 mRNA 양 및 발현을 조절한다. 특히, 레티놀 산(retinoic acid, RA)의 첨가에 의해 이러한 산화적 인산화 및 번역 관련 유전자의 mRNA 양 및 발현을 증가시킬 수 있으므로 상기 조성물은 레티놀 산을 추가로 포함할 수 있다.The RXRa regulates the amount and expression of mRNA of oxidative phosphorylation and translation-related genes by interacting with PGC1a (peroxisome proliferator-activated receptor g, coactivator 1 a) transcription factor in mitochondria. In particular, since the amount of mRNA and expression of such oxidative phosphorylation and translation-related genes can be increased by the addition of retinoic acid (RA), the composition may further include retinoic acid.
본 발명에서 있어서 미토콘드리아 기능 이상은 미토콘드리아 DNA의 3243 위치에서의 염기서열 A에서 G로의 돌연변이(mt3243)에 의해 유발되는 것으로, 미토콘드리아 기능 이상 관련 질환 또한 미토콘드리아 DNA의 3243 위치에서의 염기서열 A에서 G로의 돌연변이에 의해 유발되는 질환이다.In the present invention, mitochondrial dysfunction is caused by a mutation (mt3243) from the nucleotide sequence A to G at position 3243 of mitochondrial DNA, and mitochondrial dysfunction-related diseases are also caused by the nucleotide sequence A to G at position 3243 of mitochondrial DNA It is a disease caused by mutation.
예를 들어, 비만, 인슐린저항증, 체지방증가, 지방간, 간섬유화, 대사증후군, 지질대사이상, 고혈압, 신경퇴화질환, 양극성 장애, 당뇨병, 동맥경화증, 국소빈혈, 심장병, 간질환, 췌장질환, 암, 노화, 심혈관질환, 파킨슨병, 헌팅톤병 및 치매 등일 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.
For example, the present invention provides a method of treating a patient suffering from a condition selected from the group consisting of obesity, insulin resistance, body fat increase, fatty liver, liver fibrosis, metabolic syndrome, lipid metabolism disorder, hypertension, neurodegenerative disease, bipolar disorder, diabetes, arteriosclerosis, ischemia, Cancer, aging, cardiovascular disease, Parkinson's disease, Huntington's disease, dementia, and the like.
또한, 본 발명의 다른 구체적인 태양으로, RXRα의 발현 또는 활성 촉진를 통하여 미토콘드리아 기능 이상을 복구시키는 방법을 제공한다.In another specific embodiment of the present invention, there is provided a method for restoring mitochondrial dysfunction through promotion of expression or activity of RXR [alpha].
상기 방법에 있어서, RXRα 발현 또는 활성 촉진은 레티놀 산(retinoic acid, RA)의 첨가를 통해 수행할 수 있다.In this method, expression or activation of RXR [alpha] may be carried out through the addition of retinoic acid (RA).
앞서 설명한 바와 같이, RXRα의 발현 또는 활성 촉진은 RXRα-PGC1a 사이의 상호작용을 증가시킴으로써, 산화적 인산화 및 번역 관련 유전자의 발현을 촉진시켜 미토콘드리아 기능 이상을 복구(회복)시키는 것이다. As described above, the expression or activity promotion of RXR [alpha] increases the interaction between RXR [alpha] -PGC1a, thereby promoting the expression of oxidative phosphorylation and translation-related genes, thereby restoring (restoring) mitochondrial dysfunction.
이처럼, 본 발명은 (i) 미토콘드리아 기능 이상은 RXRA 양을 감소시킴, (ii) RXRA 감소는 RXRA - PGC1a 사이의 상호작용을 감소시킴, (iii) 상기 감소된 상호작용은 번역-관련 유전자의 발현 감소를 가져옴 (iv) OXPHOS(oxidative phosphorylation) 및 번역-관련 유전자는 감소하는 분자적 메커니즘을 기초로 하고 있는 바, 미토콘드리아 유전자 돌연변이로 미토콘드리아 기능에 이상이 생긴 경우 RXRa가 중요한 치료표적이 될 수 있는 유용성을 제공한다.
As such, the present invention provides a method of treating a subject suffering from (i) mitochondrial dysfunction which reduces the amount of RXRA, (ii) RXRA reduction reduces the interaction between RXRA and PGC1a, (iii) (Iv) OXPHOS (oxidative phosphorylation) and translation-related genes are based on a diminishing molecular mechanism, and the usefulness of RXRa as an important therapeutic target in the event of mitochondrial dysfunction due to mitochondrial gene mutations .
한편, 본 발명의 일 실시예에서는 RXRα 전사인자의 경우에 대하여 대표적으로 실험하고 있으나, Meanwhile, in one embodiment of the present invention, the RXR < alpha > transcription factor is typically tested,
다음의 72개의 전사인자 AHR, AR, ARNT, ATF3, CEBPA, CEBPB, CREB1, ATF2, E2F1, E2F4, E2F6, EGR1, ELF1, ELK1, EP300, ESR1, ESRRA, ETS1, FOS, FOSB, GABPA, GATA1, NR3C1, HIF1A, HNF4A, HSF1, JUN, JUNB, JUND, MAX, MAZ, FOXO4, MYB, MYC, MYOD1, NFATC1, NFATC2, NFATC3, NFATC4, NFKB1, NFKB2, NFYA, NFYB, NFYC, NRF1, PAX4, POU2F1, RARA, REL, RELA, RELB, RXRA, SP1, SP3, SPI1, SREBF1, SRF, STAT6, TAF1, TCF3, TCF7, ZEB1, TFAP2A, TFAP4, NR2F1, NR2F2, TP53, USF1, YY1,MZF1, FOSL1 및 LEF1으로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 전사인자들을 사용할 수 있다. The following 72 transcription factors AHR, AR, ARNT, ATF3, CEBPA, CEBPB, CREB1, ATF2, E2F1, E2F4, E2F6, EGR1, ELF1, ELK1, EP300, ESR1, ESRRA, ETS1, FOS, FOSB, GABPA, GATA1, NFYC, NFYA, NFYB, NFYC, NRF1, PAX4, POU2F1, NFATC1, HIF1A, HNF4A, HSF1, JUN, JUNB, JUND, MAX, MAZ, FOXO4, MYB, MYC, MYOD1, NFATC1, NFATC2, NFATC3, NFATC4, RARA, REL, RELA, RELB, RXRA, SP1, SP3, SPI1, SREBF1, SRF, STAT6, TAF1, TCF3, TCF7, ZEB1, TFAP2A, TFAP4, NR2F1, NR2F2, TP53, USF1, YY1, MZF1, FOSL1 and LEF1 One or more transcription factors selected from the group of constructs may be used.
즉, 상기 72개의 전사 인자들을 활용하여 미토콘드리아 기능 이상 관련 질환 치료 및 예방용 조성물을 제공하거나 미토콘드리아 기능 이상을 복구시키는 방법을 제공할 수 있다. 또한, 상기 전사인자의 발현 또는 활성을 촉진하는 물질을 스크리닝하는 것을 포함하는, 미토콘드리아 기능 이상 관련 질환 치료제를 스크리닝 하는 방법도 제공할 수 있다.That is, it is possible to provide a composition for treating or preventing mitochondrial dysfunction related diseases using the 72 transcription factors, or to provide a method for restoring mitochondrial dysfunction. Also provided is a method for screening a therapeutic agent for mitochondrial dysfunction-related diseases, which comprises screening a substance that promotes the expression or activity of the transcription factor.
이러한 전사인자에 대한 정보는 도 2D 및 www.sciencesignaling.org/cgi/content/full/6/264/rs4/DC1 참조(table S6A)하여 수득할 수 있다.
Information on such transcription factors can be obtained by reference to Figure 2D and www.sciencesignaling.org/cgi/content/full/6/264/rs4/DC1 (table S6A).
이처럼, 본 발명은 mt3243 변이를 가지는 미토콘드리아 DNA (mtDNA) 유전자 발현 프로파일링을 통한 세포 내 전사인자들과 미토콘드리아 역행성 신호에 관련된 경로와의 관련성을 이용한 다양한 용도를 모두 포함한다.Thus, the present invention encompasses a variety of uses that utilize the relationship between intracellular transcription factors through mitochondrial DNA (mtDNA) gene expression profiling with mt3243 mutations and pathways associated with mitochondrial retrograde signals.
본 발명은 미토콘드리아 기능 이상을 회복시킬 수 있는 RXRα의 용도 및 이의 다양한 이용에 관한 것으로, 상기 RXRα 발현 및 활성을 촉진함으로써 mt3243 변이에 의한 미토콘드리아 역행성 신호 경로 활성을 조절함으로써, 미토콘드리아 기능 이상에 따른 퇴행성 질환에 대한 구체적인 정보를 제공할 수 있을 뿐만 아니라 효과적으로 치료 및 예방할 수 있는 방법을 제공할 수 있을 것이다. The present invention relates to the use of RXRa capable of restoring mitochondrial dysfunction and its various uses. By modulating the mitochondrial retrograde signaling pathway activity by the mt3243 mutation by promoting RXRa expression and activity, degenerative changes due to mitochondrial dysfunction It is possible not only to provide specific information on the disease but also to provide an effective treatment and prevention method.
도 1은 시브리드 세포에서 mt3243 변이에 의한 산화적 인산화(OXPHOS) 복합체의 감소를 확인한 결과이다.
도 2는 미토콘드리아 역행성 신호에 관여하는 72 전사인자(TFs)들 및 유전자들의 상이한 조절을 확인한 결과이다[A:3가지 타입의 시브리드 세포에서의 DEGs의 관계, B: 12개 주요 클러스터에서의 상이한 유전자 발현, C: GO Biological Precesses enrichment, D:72개 TFs들의 타겟 분포]
도 3은 세포성 공정과의 DEGs의 관련성 및 mt3243 변이에 의해 영향을 받는 것으로 공지된 유전자들을 나타낸 것이다.
도 4는 미토콘드리아 역행성 신호에 관여하는 TFs의 상이한 발현을 나타낸 그래프이다.
도 5는 TFs와 상호작용하는 PGC1a 상이의 관계를 연결한 네트워크 모델(A) 및 상대적 mRNA 양을 나타낸 그래프(B 및 C)이다.
도 6은 레티놀 산(RA) 처리에 의한 산화적 인산화 유전자 발현의 복구를 확인한 결과이다[A:qRT-PCR 분석 및 웨스턴 블럿팅 분석, B: 상대적 산소 소비량 및 ATP 함량, C: OXPHOS 복합체 I~V의 웨스턴 블럿팅 분석]
도 7은 레티놀 산(RA) 처리 후 163 유전자 발현 패턴(A) 및 GO Biological Processes enrichment(B)과 유전자 사일런싱에 따른 qRT-PCR 분석(C) 결과이다.
도 8은 siRNA를 이용한 RXRA의 녹다운 결과이다.
도 9는 RXRA-PGC1a 상호작용에 따른 PLA 분석 결과이다.
도 10은 레티놀 산(RA) 처리 후 FKBP-RXRA 및 FRB 발현 세포에서의 OXPHOS 유전자의 qRT-PCR 분석 결과이다.
도 11은 ROS에 의해 활성화된 JNK를 통해 RXRA 양의 감소를 확인한 것으로, ROS의 상대적인 양(A)과 qRT-PCR 분석 및 웨스턴 블럿팅 분석결과(B 및 C)이다.
도 12는 ROS에 의해 활성화된 JNK를 통해 RXRA 단백질 양 및 mRNA의 조절을 나타낸 것이다.
도 13은 RXRA 양에서 OXPHOS 저해제의 영향(A) 및 번역 관련 유전자들의 qRT-PCR 분석 결과에 관한 것이다.
도 14는 OXPHOS 및 번역 관련 유전자들의 mRNA 양을 조절하는 역행성 신호 경로에 대한 모델의 모식도이다.FIG. 1 shows the results of confirming the reduction of the oxidative phosphorylation (OXPHOS) complex by mt3243 mutation in the Sibrid cells.
Figure 2 shows the results of confirming different modulation of 72 transcription factors (TFs) and genes involved in the mitochondrial retrograde signal [A: the relationship of DEGs in three types of siblide cells, B: Different gene expression, C: GO Biological Precesses enrichment, D: target distribution of 72 TFs]
Figure 3 shows the association of DEGs with cellular processes and genes known to be influenced by the mt3243 mutation.
Figure 4 is a graph showing the differential expression of TFs involved in the mitochondrial retrograde signal.
FIG. 5 is a graph showing the network model (A) and the relative amount of mRNA (B and C) connecting the relationship of the PGC1a phases interacting with TFs.
Figure 6 shows the results of confirming the recovery of oxidative phosphorylation gene expression by retinoic acid (RA) treatment. [A: qRT-PCR analysis and Western Blotting analysis, B: relative oxygen consumption and ATP content, C: OXPHOS complex I- Western blotting analysis of V]
FIG. 7 shows results of 163 gene expression patterns (A) and GO Biological Processes enrichment (B) after retinoic acid (RA) treatment and qRT-PCR analysis (C) according to gene silencing.
Figure 8 is a knockdown result of RXRA using siRNA.
Figure 9 shows the results of PLA analysis according to RXRA-PGC1a interaction.
Figure 10 shows the results of qRT-PCR analysis of the OXPHOS gene in FKBP-RXRA and FRB expressing cells after treatment with retinoic acid (RA).
Fig. 11 shows the relative amount (A) of ROS and the results of qRT-PCR analysis and Western blotting analysis (B and C), confirming reduction of RXRA amount through JNK activated by ROS.
Figure 12 shows the amount of RXRA protein and modulation of mRNA through JNK activated by ROS.
Figure 13 relates to the effect of OXPHOS inhibitor (A) on the amount of RXRA and the results of qRT-PCR analysis of translation related genes.
14 is a schematic diagram of a model for a retrograde signal pathway that regulates the amount of mRNA for OXPHOS and translation related genes.
본 발명에서 사용되는 용어에 대한 정의는 이하와 같다.
The terms used in the present invention are defined as follows.
"대상" 또는 "환자"는 인간, 소, 개, 기니아 피그, 토끼, 닭, 곤충 등을 포함하여 치료가 요구되는 임의의 단일 개체를 의미한다. 또한, 임의의 질병 임상 소견을 보이지 않는 임상 연구 시험에 참여한 임의의 대상 또는 역학 연구에 참여한 대상 또는 대조군으로 사용된 대상이 대상에 포함된다. 본 발명의 일 실시예에서는 인간을 대상으로 하였다."Subject" or "patient" means any single entity that requires treatment, including human, cow, dog, guinea pig, rabbit, chicken, In addition, any subject who participates in a clinical study test that does not show any disease clinical findings, or who participates in epidemiological studies or used as a control group is included. In one embodiment of the present invention, the present invention was applied to humans.
"조직 또는 세포 샘플"은 대상 또는 환자의 조직으로부터 얻은 유사한 세포의 집합체를 의미한다. 조직 또는 세포 샘플의 공급원은 신선한, 동결된 및/또는 보존된 장기 또는 조직 샘플 또는 생검 또는 흡인물로부터의 고형 조직; 혈액 또는 임의의 혈액 구성분; 대상의 임신 또는 발생의 임의의 시점의 세포일 수 있다. 조직 샘플은 또한 1차 또는 배양 세포 또는 세포주일 수 있다. "Tissue or cell sample" refers to a collection of similar cells obtained from a subject or tissue of a patient. The source of the tissue or cell sample may be a solid tissue from fresh, frozen and / or preserved organ or tissue sample or biopsy or aspirate; Blood or any blood components; It may be a cell at any point in the pregnancy or development of the subject. Tissue samples can also be primary or cultured cells or cell lines.
"발현"은 코딩 서열에 의해 코딩되는 생성물의 생물학적 생성을 지칭한다. 대부분의 경우에서, 코딩 서열을 비롯한 DNA 서열은 전사되어 전령 RNA (mRNA)를 형성한다. 전령 RNA는 번역되어 생물학적 활성을 갖는 폴리펩티드를 형성한다. 그러나 일부 경우에서는, RNA 생성물이 관련 활성을 가질 수 있으므로 유전자 생성물로서 간주될 것이다. 발현은 전사 RNA 생성물의 추가 처리 단계, 예컨대 인트론 제거를 위한 스플라이싱(splicing) 및/또는 폴리펩티드 생성물의 번역후 처리를 포함할 수 있다."Expression" refers to the biological production of a product encoded by a coding sequence. In most cases, DNA sequences, including coding sequences, are transcribed to form messenger RNA (mRNA). The messenger RNA is translated to form a polypeptide having biological activity. In some cases, however, the RNA product may be considered as a gene product since it may have an associated activity. Expression may include additional processing steps of the transcriptional RNA product, such as splicing for intron removal and / or post-translational processing of the polypeptide product.
"유전자"는 단백질 코딩 또는 전사시에 또는 다른 유전자 발현의 조절시에 기능적 역할을 갖는 임의의 핵산 서열 또는 그의 일부를 의미한다. 유전자는 기능적 단백질을 코딩하는 모든 핵산 또는 단백질을 코딩 또는 발현하는 핵산의 일부만으로 이루어질 수 있다. 핵산 서열은 엑손, 인트론, 개시 또는 종료 영역, 프로모터 서열, 다른 조절 서열 또는 유전자에 인접한 특유한 서열 내에 유전자 이상을 포함할 수 있다."Gene" means any nucleic acid sequence or portion thereof that has a functional role at the time of protein coding or transcription, or in the control of other gene expression. The gene may consist of only a portion of the nucleic acid encoding or expressing any nucleic acid or protein that encodes the functional protein. The nucleic acid sequence may comprise an exon, an intron, an initiation or termination region, a promoter sequence, another regulatory sequence, or a gene abnormality within a particular sequence adjacent to the gene.
"코딩 영역" 또는 "코딩 서열"은, 통상적인 염기쌍과 코돈 용법 관계에 따라, 발현이 요구되는 특정 유전자 생성물 또는 이의 단편을 코딩하는 핵산 서열, 이의 상보체, 또는 이들의 일부분을 지칭한다. 코딩 서열은 성숙 mRNA를 제공하기 위해 세포의 생화학 기구에 의해 함께 연결되는 게놈 DNA 또는 미성숙 1차 RNA 전사체에서의 엑손을 포함한다. 안티센스(antisense) 가닥은 상기 핵산의 상보체이고, 코딩 서열은 이들로부터 추정될 수 있다. 코딩 서열은, 적절한 길이의 전사체가 생성되고 적절한 리딩 프레임에서 번역되어 목적하는 기능 생성물이 생성되도록, 전사 조절 요소 및 번역 개시 및 종결 코돈과의 관계에 놓인다"Coding region" or "coding sequence" refers to a nucleic acid sequence, a complement thereof, or a portion thereof, which encodes a particular gene product or fragment thereof that is required to be expressed, according to a common base pairing and codon usage relationship. Coding sequences include exons in genomic DNA or immature primary RNA transcripts that are joined together by a biochemical machinery of cells to provide mature mRNA. The antisense strand is a complement of the nucleic acid, and the coding sequence can be deduced therefrom. The coding sequence is placed in the relationship of transcriptional regulatory elements and translation initiation and termination codons such that transcripts of appropriate length are generated and translated in the appropriate reading frame to produce the desired functional product
"폴리뉴클레오티드(polynucleotide)" 또는 "핵산(nucleic acid)"이라는 용어는 리보뉴클레오티드 뿐만 아니라 디옥시리보뉴클레오티드 등 온갖 길이의 뉴클레오티드 중합체를 의미한다. 이 용어는 분자의 1차적 구조만을 의미하고, 따라서 이중 또는 단일 사슬의 DNA 또는 RNA를 의미한다. 이것은 또한 변형의 알려진 유형, 예를 들어 당해 분야에서 알려진 표지(label), 메틸화, "caps", 유사체의 하나 혹은 그 이상의 자연 발생의 뉴클레오티드 치환, 탈결합(예: methyl phosphonate, phosphotriester, phosphoamidate, carbarnate, 등)과 결합(예:phosphorothioate, phosphorodithioate, 등), 단백질(예: 뉴클레아제, 독소, 항체, 신호 펩티드(signal peptide), poly-Llysine,등) 등의 부속물을 포함하는 것, 삽입물(예: 아크리딘, Psolalen, 등)을 가지는 것, 킬레이트(예: 금속원소, 방사성 금속원소, 붕소, 산화 금속원소, 등)을 가지는 것, 알킬화합물을 가지는 것, 변형된 결합(예: alpha anomeric 핵산, 등)을 가지는 것, 또한 폴리뉴클레오티드의 비변형을 포함한 뉴클레오티드간 변형을 의미한다. 일반적으로, 본 발명에 의해 제공되는 핵산 부분은 지놈(genome)의 파편과 짧은 올리고뉴클레오티드 결합자 또는 일련의 올리고뉴클레오티드, 미생물 또는 바이러스 오페론(operon)이나 진핵세포 유전자로부터 유도된 조절인자(regulatory element)를 포함하는 재조합 전사 단위로 발현될 수 있는 합성 핵산을 제공하는 특유의 뉴클레오티드들로 뭉쳐질 것이다The term "polynucleotide" or "nucleic acid" refers to nucleotide polymers of any length, including ribonucleotides as well as deoxyribonucleotides. This term refers only to the primary structure of the molecule, and thus to DNA or RNA of a double or single chain. This also applies to known types of modifications, for example, labeling, methylation, "caps", nucleotide substitutions of one or more naturally occurring nucleotides, debonding (eg, methyl phosphonate, phosphotriester, phosphoamidate, carbarnate (Eg, phosphorothioate, phosphorodithioate, etc.), proteins (eg, nucleases, toxins, antibodies, signal peptides, poly-Llysine, etc.) Having an alkyl compound, a modified bond (e.g., alpha (alpha), beta (alpha) anomeric nucleic acid, etc.), as well as inter-nucleotide modification including non-modification of the polynucleotide. Generally, the nucleic acid moieties provided by the present invention may comprise fragments of a genome and a short oligonucleotide linker or series of oligonucleotides, microorganisms or viral operons, or regulatory elements derived from eukaryotic genes, Lt; RTI ID = 0.0 > nucleotides < / RTI > that can be expressed as recombinant transcription units
"기능적 등가물"이라는 용어는 예를 들어, 기준(reference) 서열로부터 하나 또는 그 이상의 치환, 결실 또는 부가, 기준(reference) 서열과 실험(subject) 서열 사이의 다양한 기능적 비유사성을 낳지 않는 실제 효과(net effect) 등 변화된 돌연변이 서열의 뉴클레오티드와 핵산서열 모두를 의미한다. 통상적으로, 그런 실질적 등가물인 서열은 단지 약 35%(즉, 실질적으로 등가적인 서열에서의 각 잔기 치환, 부가 및 결실의 숫자는 상응하는 기준 서열과 비교하고 실질적으로 등가적인 서열에서의 나머지 전체 숫자로 나누었을 때 약 0.35 또는 그 이하이다) 정도로 본 명세서에 나열된 것에서부터 다양하다. 그런 서열은 나열된 서열과 65%의 서열 동일성을 갖는다. 본 발명에 따른 실질적 등가물인, 예를 들어 돌연변이, 아미노산 서열은 나열된 아미노산 서열과 바람직하게는 최소한 80%의 서열 동일성, 보다 바람직하게는 최소한 90%의 서열 동일성을 갖는다. 실질적 등가물인 본 발명의 뉴클레오티드 서열은 예를 들어, 유전자 암호의 중복(redundancy) 또는 축퇴(degeneracy)를 고려할 때, 더 낮은 백분율의 서열 동일성을 가질 수 있다. 바람직하게는, 뉴클레오티드 서열은 최소한 약 65%의 동일성, 보다 바람직하게는 최소한 약 75%의 동일성, 가장 바람직하게는 약 95%의 동일성을 가져야 한다. 본 발명의 목적을 위해서는, 실질적으로 등가적인 생물학적 활성과 실질적으로 등가적인 합성 특징을 가지는 서열들은 실질적 등가물로 취급된다. 등가물을 결정하기 위해, 성숙 서열(예를 들어, 위(spurious) 종결코돈(stop codon)을 제조하는 돌연변이를 통한)의 절단(truncation)은 무시되어야 한다. The term "functional equivalent" refers to, for example, one or more substitutions, deletions or additions from a reference sequence, an actual effect that does not result in various functional dissimilarities between the reference and subject sequences < / RTI > net effect) and the nucleotide sequence of the mutated mutant sequence. Typically, such a substantial equivalent sequence is only about 35% (i.e., the number of each residue substitution, addition, and deletion in a substantially equivalent sequence is compared to the corresponding reference sequence and the total number of residues in the substantially equivalent sequence Which is about 0.35 or less). Such sequences have 65% sequence identity with the listed sequences. A substantial equivalent, e. G. Mutant, amino acid sequence according to the invention has preferably at least 80% sequence identity, more preferably at least 90% sequence identity with the listed amino acid sequence. The nucleotide sequence of the present invention, which is a substantial equivalent, may have a lower percentage of sequence identity, for example, when considering the redundancy or degeneracy of the genetic code. Preferably, the nucleotide sequence should have at least about 65% identity, more preferably at least about 75% identity, and most preferably about 95% identity. For the purposes of the present invention, sequences with substantially equivalent biological activities and substantially equivalent synthetic features are treated as substantial equivalents. To determine the equivalence, the truncation of the maturation sequence (e.g. through a mutation to produce a spurious termination codon) should be ignored.
"촉진제"는 목적 유전자의 발현 또는 활성을 촉진, 강화 또는 증가시키는 물질을 의미한다. 촉진제의 활성 메커니즘은 특별히 제한되지 않는다. 예로서는 유기 또는 무기 화합물, 단백질, 탄수화물, 지질과 같은 폴리머 화합물, 다양한 화합물의 컴포지트(composite)를 포함한다. 예를 들어, 'RXRα 촉진제'는 RXRα 단백질의 발현 또는 활성을 촉진, 강화 또는 증가시키는 물질을 포함할 수 있다."Accelerator" means a substance that promotes, enhances or increases the expression or activity of a gene of interest. The activation mechanism of the promoter is not particularly limited. Examples include organic or inorganic compounds, proteins, carbohydrates, polymeric compounds such as lipids, and composites of various compounds. For example, 'RXRα promoter' may include a substance that promotes, enhances or increases the expression or activity of an RXRα protein.
"억제제 또는 저해제(inhibitor)"는 목적 유전자의 발현 또는 활성을 억제, 차단 또는 감소시키는 물질을 의미한다. 억제제의 활성 메커니즘은 특별히 제한되지 않는다. 예로서는 유기 또는 무기 화합물, 단백질, 탄수화물, 지질과 같은 폴리머 화합물, 다양한 화합물의 컴포지트(composite)를 포함한다. "Inhibitor or inhibitor" means a substance that inhibits, blocks or reduces the expression or activity of a gene of interest. The mechanism of activation of the inhibitor is not particularly limited. Examples include organic or inorganic compounds, proteins, carbohydrates, polymeric compounds such as lipids, and composites of various compounds.
"항체"는 가장 넓은 의미로 사용되고, 구체적으로 무손상 모노클로날(단일클론) 항체, 폴리클로날 항체, 적어도 2개의 무손상 항체로부터 형성된 다중특이적 항체 (예를 들어 이중특이적 항체) 및 목적하는 생물학적 활성을 보이는 항체 단편을 포함한다."Antibody" is used in its broadest sense and specifically includes intact monoclonal (monoclonal) antibodies, polyclonal antibodies, multispecific antibodies (e. G. Bispecific antibodies) formed from at least two intact antibodies, and And antibody fragments exhibiting the desired biological activity.
"RNAi"는 RNA Interference를 지칭하는 말로, 우리말로 풀이하면 RNA 간섭이라는 뜻을 지니고 있다. RNA 간섭은 대부분의 생물체 사이에서 잘 보존되어 있는 특이적 유전자억제 현상이다. siRNA는 인위적으로 세포내로 도입시키는 small RNA로서, 상보적인 서열을 가지고 있는 특정 mRNA에 결합하여 그 mRNA를 분해하는 역할을 한다."RNAi" refers to RNA Interference. In Korean, it means RNA interference. RNA interference is a specific gene suppression phenomenon that is well conserved among most organisms. siRNA is a small RNA that is artificially introduced into a cell, and binds to a specific mRNA having a complementary sequence to decompose the mRNA.
"유효량"은, 이롭거나 바람직한 임상적 또는 생화학적 결과에 영향을 주는 적절한 양이다. 유효량은 한번 또는 그 이상 투여될 수 있다. 본 발명의 목적을 위하여, 저해제 화합물의 유효량은 질병 상태의 진행을 일시적으로 완화, 개선, 안정화, 되돌림, 속도를 늦춤 또는 지연시키는데 적절한 양이다. 만약, 수혜동물이 조성물의 투여에 견딜 수 있거나, 조성물의 그 동물에의 투여가 적합한 경우라면, 조성물은 "약학적으로 또는 생리학적으로 허용가능함"을 나타낸다. 투여된 양이 생리학적으로 중요한 경우에는 상기 제제는 "치료학적으로 유효량"으로 투여되었다고 말할 수 있다. 상기 제제의 존재가 수혜 환자의 생리학적으로 검출가능한 변화를 초래한 경우라면 상기 제제는 생리학적으로 의미가 있다. An "effective amount" is an appropriate amount that affects a beneficial or desired clinical or biochemical outcome. An effective amount may be administered one or more times. For purposes of the present invention, an effective amount of an inhibitor compound is an amount sufficient to temporarily alleviate, ameliorate, stabilize, reverse, slow down, or delay the progression of a disease state. If the recipient animal is capable of enduring the administration of the composition, or the administration of the composition to the animal is suitable, the composition will be "pharmaceutically or physiologically acceptable ". If the dose administered is physiologically significant, it can be said that the formulation is administered in a "therapeutically effective amount ". The formulation is physiologically relevant if the presence of the formulation results in a physiologically detectable change in the recipient.
"치료"는 이롭거나 바람직한 임상적 결과를 수득하기 위한 접근을 의미한다. 본 발명의 목적을 위해서, 이롭거나 바람직한 임상적 결과는 비제한적으로, 증상의 완화, 질병 범위의 감소, 질병 상태의 안정화 (즉, 악화되지 않음), 질병 진행의 지연 또는 속도의 감소, 질병 상태의 개선 또는 일시적 완화 및 경감 (부분적이거나 전체적으로), 검출가능하거나 또는 검출되지않거나의 여부를 포함한다. 또한, "치료"는 치료를 받지 않았을 때 예상되는 생존율과 비교하여 생존율을 늘이는 것을 의미할 수도 있다. "Treatment" means an approach to obtaining beneficial or desired clinical results. For purposes of the present invention, beneficial or desired clinical results include, but are not limited to, alleviation of symptoms, reduction in the extent of disease, stabilization (i.e., not worsening) of the disease state, (Either partially or totally), detectable or undetected, whether or not an improvement or temporary relief or reduction Also, "treatment" may mean increasing the survival rate compared to the expected survival rate when not receiving treatment.
치료는 치료학적 치료 및 예방적 또는 예방조치 방법 모두를 가리킨다. 상기 치료들은 예방되는 장애뿐만 아니라 이미 발생한 장애에 있어서 요구되는 치료를 포함한다. 질병을 "완화(Palliating)"하는 것은 치료를 하지 않은 경우와 비교하여, 질병상태의 범위 및/또는 바람직하지 않은 임상적 징후가 감소되거나 및/또는 진행의 시간적 추이(time course)가 늦춰지거나 길어지는 것을 의미한다.Treatment refers to both therapeutic treatment and prophylactic or preventative measures. Such treatments include treatments required for disorders that have already occurred as well as disorders to be prevented. &Quot; Palliating " a disease may reduce the extent of the disease state and / or undesirable clinical symptoms and / or delay or slow the time course of the progression, It means to lose.
"질환(disorder)"이라는 용어는 본 발명의 유전자도입 동물 모델을 사용하여 동정되는 분자를 이용하여 치료하는 것으로부터 이익을 얻을 수 있는 어떤 상태이다. 이것은 포유류를 의문의 질환에 걸리기 쉽게 하는 병리학적 조건들을 포함한 만성과 급성 질환들 또는 질병들을 포함한다. 본 명세서에서 다루어질 질병들은 미토콘드리아의 기능 이상, 특히 tRNALeu에서의 A3243G 변이(mt3243)에 따른 미토콘드리아 역행성 신호 경로와 관련된 퇴행성 질환들이 바람직하다.The term " disorder "is any condition that can benefit from treatment with a molecule identified using the transgenic animal model of the invention. This includes chronic and acute diseases or diseases, including pathological conditions that make mammals susceptible to suspicious diseases. Diseases to be addressed herein are degenerative diseases associated with mitochondrial dysfunction, particularly mitochondrial retrograde signaling pathways according to the A3243G mutation (mt3243) at tRNALeu.
"약"이라는 것은 참조 양, 수준, 값, 수, 빈도, 퍼센트, 치수, 크기, 양, 중량 또는 길이에 대해 30, 25, 20, 25, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2 또는 1% 정도로 변하는 양, 수준, 값, 수, 빈도, 퍼센트, 치수, 크기, 양, 중량 또는 길이를 의미한다."About" means that the reference quantity, level, value, number, frequency, percentage, dimension, size, quantity, weight or length is 30, 25, 20, 25, 10, 9, 8, 7, , Level, value, number, frequency, percent, dimension, size, quantity, weight, or length that varies from one to three, two, or one percent.
본 명세서를 통해, 문맥에서 달리 필요하지 않으면, "포함하다" 및 "포함하는"이란 말은 제시된 단계 또는 원소, 또는 단계 또는 원소들의 군을 포함하나, 임의의 다른 단계 또는 원소, 또는 단계 또는 원소들의 군이 배제되지는 않음을 내포하는 것으로 이해하여야 한다.
Throughout this specification, the words " comprising "and" comprising ", unless the context requires otherwise, include the stated step or element, or group of steps or elements, but not to any other step or element, And that they are not excluded.
이하, 본 발명에 대하여 구체적으로 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명은 미토콘드리아 DNA 돌연변이에 관한 것이다.The present invention relates to mitochondrial DNA mutations.
미토콘드리아가 고유의 자체 유전물질(mitochondrial DNA, mtDNA)을 가지고 있음이 1963년 밝혀진 이후 1981년 인간 미토콘드리아 DNA의 염기서열이 보고되었다. 이후 1980년대 후반부터 mtDNA의 점 돌연변이가 드문 질환들을 유발한다는 사실이 보고되었으며, 최근에는 우리가 흔히 접할수 있는 질환들도 미토콘드리아 기능장애와 관련 있다는 연구결과들이 보고되고 있다.Since the discovery that mitochondria have their own genetic material (mitochondrial DNA, mtDNA) in 1963, the nucleotide sequence of human mitochondrial DNA has been reported in 1981. Since the late 1980s, mtDNA mutations have been reported to cause rare diseases. Recently, it has been reported that diseases that are frequently encountered are related to mitochondrial dysfunction.
인간 미토콘드리아 유전자는 이중 가닥의 16,569 bp 분자로서 미토콘드리아 기질 내에서 복제와 전사가 이루어진다. 미토콘드리아 DNA는 37종류의 유전자를 가지고 있는데, 이 중 24개는 단백질 합성에 필요한 RNA를 코딩하며(22 tRNA, 2 rRNA), 나머지 13개는 산화인산화 조절에 중요한 역할을 하는 호흡사슬의 주요 단백질을 코딩한다.The human mitochondrial gene is a double stranded 16,569 bp molecule that is replicated and transcribed in a mitochondrial matrix. Mitochondrial DNA contains 37 genes, 24 of which encode the RNA necessary for protein synthesis (22 tRNA, 2 rRNA) and the remaining 13 are the major proteins of the respiratory chain that play an important role in oxidative phosphorylation ≪ / RTI >
미토콘드리아 기능 이상 혹은 질환은 대부분 미토콘드리아 DNA (mt DNA)의 포인트 변이(point mutation) 혹은 결실에 기인한다. 본 발명은 그 중에서도 미토콘드리아 tRNA Leu에서의 DNA의 3243부위의 염기서열이 A에서 G로 돌연변이를 일으킨 경우에 관한 것이다(이하, mt3243로 표현함).
Mitochondrial dysfunction or disease is mostly caused by point mutation or deletion of mitochondrial DNA (mt DNA). The present invention relates to the case where the nucleotide sequence of the 3243 region of DNA in the mitochondrial tRNA Leu mutated from A to G (hereinafter referred to as mt3243).
본 발명은 상기 mt3243 변이를 가지는 미토콘드리아 DNA (mtDNA) 유전자 발현 프로파일링을 통해 수득한 정보를 이용하는 다양한 용도를 모두 포함한다.The present invention encompasses all of the various uses of information obtained through profiling of mitochondrial DNA (mtDNA) gene expression having the mt3243 mutation.
특히, 세포 내 전사인자들과 미토콘드리아 역행성 신호에 관련된 경로와의 관련성을 이용한 다양한 용도를 제공하는데, 본 발명의 일 실시예에서는 RXRα 전사인자의 경우에 대하여 대표적으로 실험하고 있으나, 이에 제한되지 않고, 72개의 전사인자 AHR, AR, ARNT, ATF3, CEBPA, CEBPB, CREB1, ATF2, E2F1, E2F4, E2F6, EGR1, ELF1, ELK1, EP300, ESR1, ESRRA, ETS1, FOS, FOSB, GABPA, GATA1, NR3C1, HIF1A, HNF4A, HSF1, JUN, JUNB, JUND, MAX, MAZ, FOXO4, MYB, MYC, MYOD1, NFATC1, NFATC2, NFATC3, NFATC4, NFKB1, NFKB2, NFYA, NFYB, NFYC, NRF1, PAX4, POU2F1, RARA, REL, RELA, RELB, RXRA, SP1, SP3, SPI1, SREBF1, SRF, STAT6, TAF1, TCF3, TCF7, ZEB1, TFAP2A, TFAP4, NR2F1, NR2F2, TP53, USF1, YY1,MZF1, FOSL1 및 LEF1으로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 전사인자들을 사용할 수 있다. In particular, the present invention provides a variety of uses by using the relationship between intracellular transcription factors and pathways involved in mitochondrial retrograde signals. In one embodiment of the present invention, RXR [alpha] transcription factors are typically tested, but not limited thereto , 72 transcription factors AHR, AR, ARNT, ATF3, CEBPA, CEBPB, CREB1, ATF2, E2F1, E2F4, E2F6, EGR1, ELF1, ELK1, EP300, ESR1, ESRRA, ETS1, FOS, FOSB, GABPA, GATA1, NR3C1 , HIF1A, HNF4A, HSF1, JUN, JUNB, JUND, MAX, MAZ, FOXO4, MYB, MYC, MYOD1, NFATC1, NFATC2, NFATC3, NFATC4, NFKB1, NFKB2, NFYA, NFYB, NFYC, NRF1, PAX4, POU2F1, , REL, RELA, RELB, RXRA, SP1, SP3, SPI1, SREBF1, SRF, STAT6, TAF1, TCF3, TCF7, ZEB1, TFAP2A, TFAP4, NR2F1, NR2F2, TP53, USF1, YY1, MZF1, FOSL1 and LEF1 One or more transcription factors selected from the group can be used.
즉, 상기 72개의 전사 인자들을 활용하여 미토콘드리아 기능 이상 관련 질환 치료 및 예방용 조성물을 제공하거나 미토콘드리아 기능 이상을 복구시키는 방법을 제공할 수 있다. 또한, 상기 전사인자의 발현 또는 활성을 촉진하는 물질을 스크리닝하는 것을 포함하는, 미토콘드리아 기능 이상 관련 질환 치료제를 스크리닝 하는 방법도 제공할 수 있다.That is, it is possible to provide a composition for treating or preventing mitochondrial dysfunction related diseases using the 72 transcription factors, or to provide a method for restoring mitochondrial dysfunction. Also provided is a method for screening a therapeutic agent for mitochondrial dysfunction-related diseases, which comprises screening a substance that promotes the expression or activity of the transcription factor.
이러한 전사인자에 대한 정보는 도 2D 및 www.sciencesignaling.org/cgi/content/full/6/264/rs4/DC1 참조(table S6A)하여 수득할 수 있다.Information on such transcription factors can be obtained by reference to Figure 2D and www.sciencesignaling.org/cgi/content/full/6/264/rs4/DC1 (table S6A).
다만, 본 발명의 가장 대표적인 형태인 전사인자 RXRα(RXRA)와 미토콘드리아 DNA의 돌연변이 mt3243의 관계에 기초하여, 이후 설명은 이를 중심으로 설명하도록 한다. 72개의 전사 인자들 중 RXRα(RXRA) 이외의 다른 전사들을 사용할 수 있음은 앞서 설명한 바와 같다.
However, based on the relationship between the transcription factor RXRα (RXRA), the most representative form of the present invention, and the mutation mt3243 of the mitochondrial DNA, the following description will focus on this. As described above, it is possible to use other transcription factors other than RXR? (RXRA) among the 72 transcription factors.
[mt3243 변이에 따른 분자적 메커니즘][Molecular mechanism according to mt3243 mutation]
미토콘드리아 유전자 3243 돌연변이는 미토콘드리아 DNA의 3243부위의 염기서열이 A에서 G로 돌연변이 되는 것으로 국내 당뇨병 환자의 약 1%를 차지하는 가장 흔한 유전적 이상이다. 그러나 이 변이로 당뇨병이 발병하는 자세한 기전은 물론 치료방법도 명확히 밝혀지지 않고 있었다The mitochondrial gene 3243 mutation is the most common genetic abnormality that accounts for about 1% of domestic diabetics, with the nucleotide sequence of the 3243 region of mitochondrial DNA mutated from A to G. However, this mutation has not clarified the detailed mechanism of diabetes mellitus as well as the treatment method
본 발명자들은 미토콘드리아가 유전자 3243 돌연변이에 의해 미토콘드리아 기능 이상이 생기는 기전에 세포내 전사인자인 RXRα(retinoid X receptor alpha)가 관여함을 최초로 규명하였다.The inventors of the present invention for the first time confirmed the involvement of the intracellular transcription factor RXRα (retinoid X receptor alpha) in the mechanism of mitochondrial dysfunction caused by the mutation of the gene 3243 by mitochondria.
미토콘드리아 유전자 3243 돌연변이가 있는 융합세포에서는 세포 내 활성산소가 증가해 RXRa의 양이 50~75%까지 감소했고 이에 따라 미토콘드리아의 단백질 발현이 줄고 미토콘드리아 기능이 45~65%까지 감소했다. 반면, RXRα활성물질 처리로 미토콘드리아 기능이 회복되었다. 즉, RXRα 활성물질을 처리한 결과 RXRα와, 또 다른 전사인자인 PGC1a(Peroxisome proliferator activated receptor-coactivating factor-1 a)와의 상호작용이 증가하면서 미토콘드리아 기능이 약 40%정도 회복됨을 규명했다.In the fusion cell with the mitochondrial gene 3243 mutation, the intracellular reactive oxygen increases and the amount of RXRa is reduced by 50-75%, resulting in a decrease in mitochondrial protein expression and a reduction in mitochondrial function by 45-65%. On the other hand, mitochondrial function was restored by treatment with RXRα active substance. In other words, the treatment of RXRα active substance revealed that the interaction between RXRα and another transcription factor, PGC1a (Peroxisome proliferator activated receptor-coactivating factor-1 a) was increased and mitochondrial function was recovered by about 40%.
mt3243에 의한 미토콘드리아 기능 이상은 RXRA (retinoid X receptor a), 반응성 산소종, 키나아제 JNK (c-JUN N-terminal kinase), 및 전사적 공활성자 PGC1a를 포함하는 미토콘드리아 역행성 신호 경로(Mitochondrial Retrograde Signaling Pathways)를 유도한다. 본 발명의 일 실시예에서는 변이 tRNALeu 및 관련 유전자 발현 프로파일을 분석함으로써, 72개의 전사 인자들이 잠재적으로 미토콘드리아 역행성 신호에 관여함을 확인하였다. 그리고 이러한 RXR 경로는 핵 게놈에서 코딩되는 산화적 인산화 효소의 mRNA 양을 감소시킴으로써, 산화적 인산화의 미토콘드리아-코딩된 효소의 감소된 양에 의해 산화적 인산화에서 기능이상을 악화시킨다. Mitochondrial dysfunction by mt3243 is caused by mitochondrial retrograde signaling pathways including retinoid X receptor a, reactive oxygen species, c-JUN N-terminal kinase (JNK), and the globally competent PGC1a. . In one embodiment of the present invention, analysis of the mutation tRNALeu and related gene expression profiles confirmed that 72 transcription factors were potentially involved in mitochondrial retrograde signals. And this RXR pathway exacerbates dysfunction in oxidative phosphorylation by a reduced amount of mitochondria-coded enzyme of oxidative phosphorylation by decreasing the amount of mRNA of oxidative phosphorylase encoded in the nuclear genome.
이처럼, 본 발명자들은 mt3243에 의해 미토콘드리아 기능에 이상이 생긴 경우 RXRa-PGC1a 상호작용이 감소하는 분자적 메커니즘을 처음으로 확인함으로써, 미토콘드리아 기능이상에 대해 RXRa가 중요한 치료 표적이 될 수 있음을 최초로 규명하였다. 따라서, 본 발명은 mt3243 변이와 RXRa-PGC1a 관련 분자적 메커니즘에 관련된 모든 정보를 포함한다.
As such, the inventors first identified the molecular mechanism by which the RXRa-PGC1a interaction diminished when mt3243 caused an abnormality in mitochondrial function, thus first confirming that RXRa may be an important therapeutic target for mitochondrial dysfunction . Thus, the present invention includes all information relating to the mt3243 mutation and the molecular mechanism associated with RXRa-PGC1a.
대표적으로, 이하와 같은 분자적 메커니즘을 가진다.Typically, it has the following molecular mechanism.
(i) 미토콘드리아 기능 이상은 RXRA 양을 감소시킴 (i) mitochondrial dysfunction reduces the amount of RXRA
(ii) RXRA 감소는 RXRA - PGC1a 사이의 상호작용을 감소시킴 (ii) RXRA reduction reduces the interaction between RXRA and PGC1a
(iii) 상기 감소된 상호작용은 의 mRNA 양 및 번역-관련 유전자에서의 감소를 가져옴, 그리고(iii) the reduced interaction results in a decrease in mRNA level and translation-related gene, and
(iv) OXPHOS(oxidative phosphorylation) 및 번역-관련 유전자 감소는 레티놀 산(retinoic acid, RA)의 첨가에 의해 상기 모든 감소를 역전시킴.
(iv) Oxidative phosphorylation (OXPHOS) and translation-related gene reduction reverses all of the above reductions by the addition of retinoic acid (RA).
본 발명의 실시예에서는, 실험적으로 mt3243 변이가 RXRA (retinoid X receptor a), 반응성 산소종(ROS), 키나아제 JNK (c-JUN N-terminal kinase), 및 전사적 공활성자 PGC1a (peroxisome proliferator-activated receptor g, coactivator 1 a)를 포함하는 역행성 신호 경로를 유도함을 확인하였다.In an embodiment of the present invention, the mt3243 mutation has been shown to be involved in the production of retinoid X receptor a (RXRA), reactive oxygen species (ROS), kinase JNK (c-JUN N-terminal kinase), and transcriptional activator PGC1a (peroxisome proliferator- g, and coactivator 1 a).
즉, mt3243 변이에 의해 영향을 받는 유전자들이 미토콘드리아 공정:미토콘드리아 이동, 미토콘드리아 조직화(organization), OXPHOS(oxidative phosphorylation), ROS에 대한 반응 및 산화적 스트레스, 질소 화합물 생합성 공정; 단백질 항상성-관련 공정: 번역, 리보솜 생발생(biogenesis), 단백질 수송 및 단백질 유비퀴틴화 조절; 및 세포 증식(proliferation)-관련 공정: 세포 증식 조절, DNA 보수, 세포사멸 조절 전사 조절, 염색질 조합과 분해 및 RNA 프로세싱 공정 등에 주요하게 관여함을 보여주었다. 이는 단일 포인트(mt3243) 변이에 의한 미토콘드리아 기능 이상이, 이러한 세포성 공정들을 변화시키는 다양한 역행성 신호 경로의 활성을 반영할 것 같은 세포성 공정의 넓은 스펙트럼에 영향을 미침을 의미한다.That is, the genes affected by the mt3243 mutation are mitochondrial processes: mitochondrial migration, mitochondrial organization, oxidative phosphorylation (OXPHOS), reaction to oxidative stress and ROS, nitrogen compound biosynthesis processes; Protein homeostasis - related processes: translation, ribosome biogenesis, protein transport and protein ubiquitination regulation; And cell proliferation-related processes: cell proliferation regulation, DNA repair, regulated apoptosis transcription, chromatin assembly and degradation, and RNA processing processes. This implies that mitochondrial dysfunction by a single point (mt3243) mutation affects a broad spectrum of cellular processes that may reflect the activity of various retrograde signaling pathways that alter these cellular processes.
특히, 전사인자들의 mRNA 양이 상기 변이에 의해 감소하고(실시예 3), 감소된 mRNA 양은 핵-코딩된 OXPHOS 효소들의 단백질 양의 감소를 가져오고, 이는 양성 피드백 루프로서 제공되어, mt3243 변이에 따른 미토콘드리아-코딩된 OXPHOS 효소의 양에서의 감소를 야기하는 OXPHOS 기능 이상을 유도한다(실시예 4). Specifically, the amount of mRNA of the transcription factors was reduced by the mutation (Example 3), and the reduced amount of mRNA resulted in a decrease in the amount of the protein of the nuclear-coded OXPHOS enzymes, which was provided as a positive feedback loop, Induced OXPHOS dysfunction causing a decrease in the amount of mitochondria-coded OXPHOS enzyme (Example 4).
또한, O2 소비량 및 ATP 함량 모두가 mt3243 변이에 의해 감소되지만, RA 처리가 RXRA-PGC1a 복합체 증가 및 OXPHOS 유전자 발현의 복구에 기여하는 사실을 확인하였다.(실시예 5 및 6). 그리고 RXRA의 mRNA 양이 ROS에 의해 활성화된 JNK에 의해 음성적으로 조절되고(실시예 7), RXRA-PGC1a이 시토졸 및 미토콘드리아 번역에 관여하는 핵-코딩된 유전자들을 조절함을 확인하였다(실시예 8)In addition, O 2 Both consumption and ATP content were reduced by the mt3243 mutation, but it was confirmed that RA treatment contributes to the RXRA-PGC1a complex increase and restoration of OXPHOS gene expression (Examples 5 and 6). It was also confirmed that the amount of mRNA of RXRA was negatively regulated by JNK activated by ROS (Example 7), and that RXRA-PGC1a regulated nuclear-coded genes involved in cytosol and mitochondrial translation 8)
그러므로, 미토콘드리아가 유전자 3243 돌연변이에 의해 미토콘드리아 기능 이 상이 생기는 기전에 세포내 전사인자인 RXRα(retinoid X receptor alpha)가 주요하게 관여함을 알 수 있고, 따라서, RXRα 활성물질 처리로 미토콘드리아 기능이 회복될 수 있음을 시사한다.
Therefore, it can be seen that mitochondria mainly involve the intracellular transcription factor RXRα (retinoid X receptor alpha) in the mechanism of mutation of mitochondrial function by gene 3243 mutation, and thus mitochondrial function is restored by RXRα active substance treatment .
[용도][Usage]
본 발명은 일 관점에서, RXRα의 발현 또는 활성 촉진을 통하여 mt3243 변이에 의한 미토콘드리아 기능 이상을 회복시키는 방법과 이를 이용하는 시스템에 관한 것이다.In one aspect, the present invention relates to a method for restoring mitochondrial dysfunction caused by mt3243 mutation through promotion of expression or activity of RXRα, and a system using the same.
RXRα의 발현 또는 활성을 촉진하기 위하여 RXRα 유전자의 전사를 촉진하는 물질, 전사된 RXRα의 번역을 촉진하는 물질, 또는 RXRα 단백질의 기능을 촉진하는 물질로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 이용하는 것이 바람직하나 이에 한정되지 않는다.In order to promote the expression or activity of RXR alpha, it is preferable to use a substance selected from the group consisting of a substance promoting transcription of RXR alpha gene, a substance promoting translation of transcribed RXR alpha, or a substance promoting the function of RXR alpha protein, It does not.
구체적 예로서, RXRα 유전자의 발현 또는 활성 촉진제, 예를 들어, RXRα 유전자를 함유하는 재조합 발현 벡터 등의 재조합 폴리뉴클레오티드 구조물(총칭적으로 "발현 벡터"로 지칭), 상기 발현 벡터로 형질전환된 미생물, 이들 중 하나를 포함하는 mt3243 변이 관련 질환 치료용 조성물의 태양으로 실시가능한, 미토콘드리아 기능이상 회복 시스템을 들 수 있다. As a specific example, a recombinant polynucleotide construct such as an expression or activity promoter of RXRα gene, for example, a recombinant expression vector containing RXRα gene (collectively referred to as "expression vector"), a microorganism transformed with the expression vector , And a mitochondrial dysfunctional recovery system that can be practiced as a composition for treating a mt3243 mutation-related disease comprising any one of the above.
RXRα를 과발현시키기 위해, 적절한 프로모터가 이를 엔코딩하는 DNA/폴리뉴클레오티드에 작동가능하게 연결될 수 있고, 예를 들어, 포유동물 세포 시스템에서의 발현을 위한 프로모터로는 바이러스 프로모터, 예를 들어 폴리오마, 계두(fowlpox)및 아데노바이러스(예를 들어, 아데노바이러스 2), 소(bovine) 유두종 바이러스, 조류(avian) 육종 바이러스, 사이토메갈로바이러스(특히, 즉시형 초기 유전자 프로모터), 레트로바이러스, B형 간염 바이러스, 액틴, 라우스(rous) 육종 바이러스(RSV) 프로모터 및 초기 또는 후기 시미안(Simian) 바이러스 40 및 비-바이러스(nonviral)프로모터, 예를 들어 EF-1알파를 포함하는 RNA 폴리머라아제 II 프로모터가 있다(문헌[Mizushima 및 Nagata Nucleic Acids Res 1990 18(17):5322]). 이러한 프로모터의 선택은 발현을 위해 사용되는 숙주 세포와의 적절한 양립성(compatibility)을 기초로 이루어질 수 있다.For overexpression of RXRa, a suitable promoter may be operably linked to a DNA / polynucleotide encoding it, for example, a promoter for expression in a mammalian cell system may include a viral promoter, such as a polyoma, fowlpox and adenovirus (e.g., adenovirus 2), bovine papillomavirus, avian sarcoma virus, cytomegalovirus (especially, immediate early gene promoter), retrovirus, hepatitis B virus , An actin, a rous sarcoma virus (RSV) promoter and an RNA polymerase II promoter comprising early or
또한, 필요한 경우, 추가의 '인핸서 엘리먼트'가 상기 설명된 프로모터 위치에 존재하는 엘리먼트 대신에 또는 이에 더하여 포함되어 RXRα의 발현 또는 활성을 촉진시킬 수 있다. Further, if desired, additional ' enhancer elements ' may be included in addition to or in addition to the elements present at the promoter positions described above to facilitate expression or activity of RXR [alpha].
또한, 본 발명의 일 구체예에서는 이와 같은 메커니즘에 따라서, RXRα가 과발현 되도록 엔코딩된 벡터 및 이로써 형질전환된 세포가 제공될 수 있다.
In addition, in one embodiment of the present invention, according to such a mechanism, a vector encoded so that RXR [alpha] is overexpressed, and thus transformed cells, may be provided.
그러므로, 본 발명은 다른 관점에서 RXRa 활성을 촉진시키는 방법을 이용하여 미토콘드리아 기능 이상으로 발병되는 퇴행성 질환을 치료할 수 있는 상기 분자적 메커니즘의 용도를 제공한다.Therefore, the present invention provides the use of the above-mentioned molecular mechanism capable of treating a degenerative disease that is caused by abnormal mitochondrial function using a method of promoting RXRa activity from a different viewpoint.
미토콘드리아는 활성산소와 지속적으로 접촉하고 유전자변이의 복구능력이 떨어져 핵 DNA에 비해 5~10배 이상 유전자 변이가 쉽게 일어나며, 이런 미토콘드리아 유전자변이가 체세포에 축적됨으로 미토콘드리아의 기능이 떨어지고 이는 노화와 여러 퇴행성질환의 주된 원인 중 하나로 여겨지고 있다.Mitochondria are constantly in contact with reactive oxygen species and are less capable of repairing gene mutations, resulting in gene mutations that are 5 to 10 times more likely to occur than nuclear DNA. Such mitochondrial gene mutations accumulate in somatic cells, resulting in diminished mitochondrial functions, It is considered to be one of the main causes of the disease.
특히, 본 발명의 미토콘드리아의 이상은 당뇨병 발병과 밀접한 관계가 있다. 당뇨병의 유전적인 원인 중 특이한 것중의 하나는 미토콘드리아 DNA의 점돌연변이(3243A>G)에 의한 당뇨병인데 이 변이는 단일 점돌연변이로는 미토콘드리아의 leucine tRNA의 기능이상을 초래하는데 당뇨병을 포함 인간의 질병을 일으키는 변이를 통틀어 가장 흔한 변이로 알려져 있다. 미토콘드리아 DNA 돌연변이는 모계로 유전되는 특징이 있으며, 환자들은 미토콘드리아의 기능이 감소되며 이로 인해 인슐린분비와 작용이 다 감소되어 있으며 매우 마른 체형을 보이는 경우가 많다.In particular, the abnormality of the mitochondria of the present invention is closely related to the onset of diabetes. One of the genetic causes of diabetes is diabetes mellitus caused by point mutations in mitochondrial DNA (3243A> G). This mutation causes a dysfunction of leucine tRNA in mitochondria as a single point mutation. It is known as the most common variation among all the mutations that cause it. Mitochondrial DNA mutations are inherited as a maternal strain, and patients have diminished mitochondrial function, which results in decreased insulin secretion and function, and is often very skinny.
그러므로, 본 발명은 미토콘드리아 유전자 3243 돌연변이에 의해 미토콘드리아 기능 이상이 생기는 기전에 세포 내 전사인자인 RXRα(retinoid X receptor alpha)의 관계성을 바탕으로 RXRα활성을 촉진시킴으로써 미토콘드리아 기능을 회복시키는 치료적 용도에 관한 것이다. 즉, RXRα활성을 촉진하여 미토콘드리아 기능을 개선시키고, 이에 의해 당뇨에 대한 치료 및 예방적 용도에 관한 것이다.Therefore, the present invention relates to a therapeutic use for restoring mitochondrial function by promoting RXRα activity based on the relationship of the intracellular transcription factor RXRα (retinoid X receptor alpha) to the mechanism of mitochondrial dysfunction caused by the mutation of mitochondrial gene 3243 . That is, to promote RXR [alpha] activity to improve mitochondrial function, thereby treating and preventing diabetes.
본 발명에서 치료 대상으로 하는, 미토콘드리아 기능 저하에 기인한 질환은 비만, 인슐린저항증, 체지방증가, 지방간, 간섬유화, 대사증후군, 지질대사이상, 고혈압, 신경퇴화질환, 양극성 장애, 당뇨병, 동맥경화증, 국소빈혈, 심장병, 간질환, 췌장질환, 암, 노화, 심혈관질환, 파킨슨병, 헌팅턴병 및 치매로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것이 바람직하나 이에 한정되지 않는다.The disease caused by mitochondrial dysfunction in the present invention is a disease caused by a decrease in mitochondrial function, which is selected from the group consisting of obesity, insulin resistance, body fat increase, fatty liver, liver fibrosis, metabolic syndrome, lipid metabolism abnormality, hypertension, neurodegenerative disease, bipolar disorder, , Ischemia, ischemia, heart disease, liver disease, pancreatic disease, cancer, aging, cardiovascular disease, Parkinson's disease, Huntington's disease and dementia.
본 발명의 일 구체예로서, RXRα를 활성화시키는 유전적 물질로 형질감염시켜 RXRα 발현을 촉진하거나 활성을 향상시킴으로써, 미토콘드리아 기능 저하에 따른 질환을 치료하는 방법을 제공한다.In one embodiment of the present invention, there is provided a method for treating a disease caused by mitochondrial function impairment by promoting RXRa expression or enhancing activity by transfecting with a genetic material that activates RXRa.
"형질감염 또는 트랜스펙션"은 바이러스 벡터 또는 기타 전달 수단을 이용하여 외부물질을 진핵 세포 내로 도입하는 것을 의미한다. 동물 세포의 형질감염은 전형적으로 세포 원형질막 내 일시적인 구명 또는 "홀"을 개방하여 물질이 흡수되도록 하는 것을 수반한다. 유전자 물질 또는 항체와 같은 단백질을 형질감염시킬 수 있다. 전기천공법 외에, 양이온성 지질을 상기 물질과 혼합하여, 세포 원형질막과 융합하고 내부에 카르고를 침적하는 리포솜을 생산함으로써 형질감염을 수행할 수 있다. "Transfection or transfection" means introducing foreign material into eukaryotic cells using viral vectors or other delivery means. Transfection of animal cells typically involves opening transient survival or "holes " in the cell plasma membrane to allow the material to be absorbed. A gene substance or a protein such as an antibody. In addition to the electroporation method, transfection can be carried out by mixing cationic lipids with these materials, fusing them with the cytoplasmic membrane, and producing liposomes that deposit cargo therein.
일 예로, 인산 칼슘을 이용할 수 있다. 인산 이온을 함유하는 HEPES-완충 식염수(HeBS)를 형질감염될 물질을 함유하는 염화칼슘 용액과 혼합한다. 두 가지가 혼합되면, 양으로 대전된 칼슘과 음으로 대전된 인산염의 미세 침전이 형성되어 형질감염될 물질을 그 표면에 결합시킨다. 다음, 침전물의 현탁액을 형질감염될 세포에 첨가한다. 상기 세포는 침전물 일부와 함께 형질감염될 물질을 흡수한다. 다른 예로, 고도 분기된 유기 화합물(예를 들어, 덴드리머)을 이용하여 본 발명의 유전자 물질(miRNA)과 결합시키고 이를 세포 내로 들어가도록 한다. 다른 방법은 리포솜, 즉, 어떤 점에서는 세포의 구조와 유사하고 세포막과 실제로 융합할 수 있는 작은 막-결합체 내에 형질감염될 유전자 물질의 혼입, 세포 내로 유전자 물질을 배출시키는 것을 포함한다. 진핵세포의 경우, 지질-양이온에 근거한 형질감염이 보다 전형적으로 사용되는데, 이는 세포가 보다 민감성이기 때문이다. 또 다른 예로, DEAE-덱스트란 또는 폴리에틸렌이민과 같은 양이온성 폴리머를 사용한다. 음으로 대전된 유전자 물질은 다양이온(polycation)에 결합하고, 그 복합체는 내표작용(endocytosis)을 통하여 세포에 의하여 흡수된다.For example, calcium phosphate may be used. HEPES-buffered saline (HeBS) containing phosphate ions is mixed with a calcium chloride solution containing the substance to be transfected. When the two are mixed, a fine precipitate of positively charged calcium and negatively charged phosphate is formed to bind the substance to be transfected to the surface. Next, a suspension of the precipitate is added to the cells to be transfected. The cell absorbs the substance to be transfected together with a part of the precipitate. In another example, a highly branched organic compound (e.g., a dendrimer) is used to bind the gene material (miRNA) of the present invention and enter the cell. Other methods include the incorporation of liposomes, the genetic material to be transfected into a small membrane-like body that is similar in some respects to the structure of the cell and can actually fuse with the cell membrane, and the export of the genetic material into the cell. In the case of eukaryotic cells, lipid-cation based transfection is more typically used because the cells are more sensitive. As another example, a cationic polymer such as DEAE-dextran or polyethyleneimine is used. Negatively charged genetic material binds to polycation, and the complex is absorbed by cells through endocytosis.
형질감염에 대한 직접적인 접근은 유전자 물질이 불활성 고체 (통상적으로 금) 나노입자와 커플링된 다음 표적세포의 핵 내로 직접적으로 "샷"되는 유전자 총(gene gun)이다. 유전자 물질은 또한 바이러스를 매개체로 이용하여 세포 내로 도입될 수 있다. 이러한 경우, 그 기법은 바이러스 형질도입(transduction)으로 불리우며, 세포는 형질도입되는 것으로 말하여진다. 형질감염의 다른 방법은 뉴클레오펙션(nucleofection), 전기천공법(electroporation), 열충격(heat shock), 마그네토펙션(magnetofection) 및 Lipofectamine, Dojindo Hilymax,Fugene, jetPEI, Effectene 또는 DreamFect과 같은 등록상표의 형질감염 시약을 포함한다.
A direct approach to transfection is a gene gun in which the genetic material is coupled to an inert solid (usually gold) nanoparticle and then "shot" directly into the nucleus of the target cell. Genetic material can also be introduced into cells using the virus as a mediator. In this case, the technique is called viral transduction, and cells are said to be transduced. Other methods of transfection include, but are not limited to, nucleofection, electroporation, heat shock, magnetofection and registered traits such as Lipofectamine, Dojindo Hilymax, Fugene, jetPEI, Effectene or DreamFect Infection reagent.
또한, 본 발명의 치료적 용도의 다른 구체예로서, RXRα 발현 또는 활성 촉진제 또는 RXRα의 발현 또는 활성 촉진제가 도입된 세포를 유효성분으로 포함하는 미토콘드리아 기능 이상 관련 질환 치료 및 예방용 조성물 또는 약학적 조성물을 제공할 수 있다. 그리고 상기 조성물은 레티놀 산(retinoic acid, RA)을 추가로 포함할 수 있다.In another embodiment of the therapeutic use of the present invention, there is provided a composition or pharmaceutical composition for treating or preventing mitochondrial dysfunction-related diseases, comprising an RXRa expression or activity promoter or a cell into which an expression or activity promoter of RXRa has been introduced as an active ingredient Can be provided. And the composition may further comprise retinoic acid (RA).
"촉진제"는 목적 유전자의 발현 또는 활성을 촉진, 강화 또는 증가시키는 물질을 의미한다. 촉진제의 활성 메커니즘은 특별히 제한되지 않는다. 예로서는 유기 또는 무기 화합물, 단백질, 탄수화물, 지질과 같은 폴리머 화합물, 다양한 화합물의 컴포지트(composite)를 포함한다. 당업자에게 명백한 바와 같이, 화학적으로 또는 생화학적으로 개질 될 수 있거나, 조성물로 제형화되어 표적 세포에 임의의 다수 수단으로 투여되거나 발현 구조체를 통해 투여될 수 있다. "Accelerator" means a substance that promotes, enhances or increases the expression or activity of a gene of interest. The activation mechanism of the promoter is not particularly limited. Examples include organic or inorganic compounds, proteins, carbohydrates, polymeric compounds such as lipids, and composites of various compounds. As will be apparent to those skilled in the art, it may be chemically or biochemically modified, or it may be formulated into a composition and administered to the target cells by any of a number of means or through an expression construct.
적합한 다수의 방법이 본 기술분야에서 공지되어 있다. 일반적으로, 표적 유전자를 발현하는 세포에 형질감염시키는데,형질감염을 위해서는 예를 들어, 일렉트로포레이션 (electroporation), 형질감염을 위한 헬퍼로서 양이온성 리피드 또는 양이온성 폴리머의 사용과 같은 다양한 방법이 사용될 수 있다. 그 후, 세포를 표적 유전자의 발현을 가능하게 하는 적합한 조건 하에서 배양한다. 이어서 표적 유전자의 발현을 예를 들어, RT-PCR 또는 리포터 유전자의 양의 측정과 같은 적합한 기술을 사용하여 측정한다. 기본적으로, 어떤 종류의 세포라도 형질감염전환을 위해서 사용될 수 있지만, 바람직한 구체예에서 세포는 진핵세포, 바람직하게는 동물 세포, 더욱 바람직하게는 포유동물 세포, 가장 바람직하게는 인간 세포이다. 본 발명에 따른 조성물의 치료적 유효량은 공지의 투여 경로에 의하여 제공될 수 있다. A number of suitable methods are known in the art. Generally, the cells expressing the target gene are transfected. For the transfection, various methods such as, for example, electroporation, use of a cationic lipid or a cationic polymer as a helper for transfection are used . The cells are then cultured under suitable conditions to allow expression of the target gene. The expression of the target gene is then determined using suitable techniques such as, for example, RT-PCR or determination of the amount of reporter gene. Basically, although any type of cell can be used for transfection, in preferred embodiments the cell is a eukaryotic cell, preferably an animal cell, more preferably a mammalian cell, most preferably a human cell. A therapeutically effective amount of a composition according to the present invention may be provided by a known route of administration.
이러한 본 발명의 치료용 조성물 또는 세포치료제는 투여 방식에 따라 허용 가능한 담체를 포함하여 적절한 제제로 제조될 수 있다. 투여 방식에 적합한 제제는 공지되어 있으며 전형적으로 막을 통과하는, 이동을 용이하게 하는 제제를 포함할 수 있다. Such a therapeutic composition or cell therapy agent of the present invention can be prepared into a suitable preparation including an acceptable carrier depending on the administration mode. Formulations suitable for the mode of administration are known and may include formulations that facilitate passage, typically through the membrane.
또한, 본 발명의 치료용 조성물은 일반적인 의약품 제제의 형태로 사용될 수 있다. 비경구용 제제에는 멸균된 수용액, 비수성용제, 현탁제, 유제 또는 동결건조제제, 경구 투여시에는 정제, 트로키, 캡슐, 엘릭시르, 서스펜션, 시럽 또는 웨이퍼 등의 형태로 제조할 수 있으며, 주사제의 경우에는 단위 투약 앰플 또는 다수회 투약 형태로 제조할 수 있다. 또한, 본 발명의 치료용 조성물은 약학적으로 허용되는 담체와 함께 투여될 수 있다. 예를 들어, 경구 투여시에는 결합체, 활탁제, 붕해제, 부형제, 가용화제, 분산제, 안정화제, 현탁화제, 색소 또는 향료 등을 사용할 수 있으며, 주사제의 경우에는 완충제, 보존제, 무통화제, 가용화제, 등장제, 안정화제 등을 혼합하여 사용할 수 있으며, 국소 투여용의 경우에는 기제, 부형제, 윤활제, 보존제 등을 사용할 수 있다.In addition, the therapeutic composition of the present invention can be used in the form of a general pharmaceutical preparation. The parenteral preparation may be in the form of a sterilized aqueous solution, a non-aqueous solvent, a suspension, an emulsion or a lyophilized preparation, or a tablet, troch, capsule, elixir, suspension, syrup or wafer in the case of oral administration. May be formulated in unit dosage ampoules or multiple doses. In addition, the therapeutic composition of the present invention may be administered together with a pharmaceutically acceptable carrier. For oral administration, for example, binders, lubricants, disintegrants, excipients, solubilizers, dispersants, stabilizers, suspending agents, coloring matters or fragrances may be used. In the case of injections, buffering agents, preservatives, An isotonic agent, an isotonic agent, a stabilizer, etc. may be used in combination. In the case of topical administration, a base, an excipient, a lubricant, a preservative and the like may be used.
또한, 본 발명의 치료용 조성물을 이용하여 미토콘드리아 기능 이상 관련 질환을 치료하는 방법은 적절한 방법으로 환자에게 소정의 물질이 도입되는 일반적인 경로를 통하여 투여하는 것을 포함할 수 있다. 상기 투여방법으로는 복강 내 투여, 정맥 내 투여, 근육 내 투여, 피하 투여, 피내 투여, 경구 투여, 국소 투여, 비내 투여, 폐내 투여 및 직장 내 투여가 있으나, 이에 제한되지 않는다. 그러나 경구 투여시, 세포가 소화될 수 있으므로 경구용 조성물은 활성 약제를 코팅하거나 위에서 분해되는 것을 보호하기 위해 제형화하는 것이 바람직하다.In addition, the method for treating a mitochondrial dysfunction-related disorder using the therapeutic composition of the present invention may include administration through a general route in which a predetermined substance is introduced into a patient by an appropriate method. Such administration methods include, but are not limited to, intraperitoneal administration, intravenous administration, intramuscular administration, subcutaneous administration, intradermal administration, oral administration, topical administration, intranasal administration, intrapulmonary administration and rectal administration. However, upon oral administration, the cells may be digested, so that the oral composition is preferably formulated to coat the active agent or protect it from being decomposed from above.
또한, 제약 조성물은 활성 물질이 표적 세포로 이동할 수 있는 임의의 장치에 의해 투여될 수 있다. 바람직한 투여방식 및 제제는 정맥 주사제, 피하 주사제, 피내 주사제, 근육 주사제 또는 점적 주사제 등이다. 주사제는 생리식염액 또는 링겔액 등의 수성 용제, 식물유, 고급 지방산 에스테르 (예로, 올레인산에칠 등), 알코올류 (예로, 에탄올, 벤질알코올, 프로필렌글리콜 또는 글리세린 등) 등의 비수성 용제 등을 이용하여 제조할 수 있고, 변질 방지를 위한 안정화제 (예로, 아스코르빈산, 아황산수소나트륨, 피로아황산나트륨, BHA, 토코페롤, EDTA 등), 유화제, pH 조절을 위한 완충제, 미생물 발육을 저지하기 위한 보존제 (예로, 질산페닐수은, 치메로살, 염화벤잘코늄, 페놀, 크레솔, 벤질알코올 등) 등의 약제학적 담체를 포함할 수 있다. 바람직하게는 본 발명의 치료용 조성물을 이용하여 뇌 또는 신경계 질환을 치료하는 방법은, 본 발명의 치료용 조성물을 약학적 유효량으로 투여하는 것을 포함한다. 상기 약학적 유효량은 질환의 종류, 환자의 연령, 체중, 건강, 성별, 환자의 약물에 대한 민감도, 투여 경로, 투여 방법, 투여 횟수, 치료 기간, 배합 또는 동시 사용되는 약물 등 의학 분야에 잘 알려진 요소에 따라 당업자에 의해 용이하게 결정될 수 있다.
In addition, the pharmaceutical composition may be administered by any device capable of transferring the active substance to the target cell. Preferred modes of administration and formulations are intravenous, subcutaneous, intradermal, intramuscular or drip injectable. The injectable solution may be a non-aqueous solvent such as an aqueous solvent such as a physiological saline solution or a ring gel solution, a vegetable oil, a higher fatty acid ester (for example, oleic acid), an alcohol (for example, ethanol, benzyl alcohol, propylene glycol or glycerin) (For example, ascorbic acid, sodium hydrogen sulfite, sodium pyrophosphate, BHA, tocopherol, EDTA and the like), an emulsifier, a buffer for pH control, a microbial growth inhibitor Preservatives (for example, mercury nitrate, thimerosal, benzalkonium chloride, phenol, cresol, benzyl alcohol, etc.). Preferably, the method for treating a brain or neurological disease using the therapeutic composition of the present invention comprises administering a therapeutically effective amount of the therapeutic composition of the present invention. The pharmaceutically effective amount may be appropriately selected depending on the kind of the disease, the age, body weight, health, sex, sensitivity of the patient to the drug, administration route, administration method, administration frequency, And can be readily determined by those skilled in the art depending on the factors.
본 발명의 용도는 RXRα의 상향 조절에 따른 RXRα 발현조절과 관련하는 유전적 접근까지 확장한다. The use of the present invention extends to a genetic approach associated with the regulation of RXR [alpha] expression by upregulating RXR [alpha].
일반적으로, 발현을 상향 조절하는데 사용되는 일반적 기법은 유전자 복제수를 증가시키거나 또는 유전자 발현의 억제제를 길항시키는 방법을 사용할 수 있고, 예를 들어, RXRα의 번역(translation)을 개선시키거나 전사후 조절(post-transciptional gene silencing) 등에 관여함으로써 RXRα mRNA의 발현을 향상시킴으로써 RXRα 발현을 촉진시킬 수 있다.
In general, the general technique used to up-regulate expression may be to increase the number of gene copies or to antagonize the inhibitor of gene expression, for example, to improve the translation of RXR [alpha] Regulatory (post-transciptional gene silencing), etc., thereby enhancing expression of RXR [alpha] mRNA, thereby promoting RXR [alpha] expression.
한편, 다른 관점에서 본 발명은 앞서 설명한 사실을 기반으로 하여, RXRα 발현을 촉진시키는 미토콘드리아 기능 이상에 따른 질환 치료용 물질을 스크리닝 하는 방법을 포함한다.In another aspect, the present invention includes a method for screening a substance for treating diseases according to mitochondrial dysfunction, which promotes expression of RXRα, based on the facts described above.
본 방법에서, RXRα의 발현을 측정하는 것은 이들과 관련된 RNA, DNA, 단백질 등 그 바이오마커 대상의 형태를 제한하지 않는다.In this method, measuring the expression of RXR [alpha] does not limit the form of the biomarker target, such as RNA, DNA, protein, etc. associated therewith.
샘플에서 다양한 바이오마커의 발현은 면역조직화학적 및/또는 웨스턴 분석, 정량적 혈액기반 분석 (예를 들어 혈청 ELISA) (예를 들어 단백질 발현 수준을 조사하기 위해), 생화학적 효소 활성 분석, mRNA의 계내 혼성화, 노던 블럿 분석 및/또는 PCR 분석, 및 게놈 웨스턴 블럿 분석 (예를 들어 유전자 결실 또는 증폭을 조사하기 위해), 및 유전자 및/또는 조직 어레이 분석에 의해 수행될 수 있는 매우 다양한 분석 중의 임의의 하나를 포함하여 이로 제한되지 않는 많은 방법에 의해 분석할 수 있고, 상기 방법 중 많은 방법은 당업계에 공지되고 당업자에게 이해되고 있다. The expression of a variety of biomarkers in the sample may be determined by immunohistochemical and / or Western analysis, quantitative blood-based analysis (e.g., serum ELISA) (e.g. to investigate protein expression levels), biochemical enzyme activity analysis, Any of the wide variety of assays that can be performed by hybridization, Northern blot analysis and / or PCR analysis, and genome western blot analysis (for example, to investigate gene deletion or amplification), and gene and / or tissue array analysis And can be analyzed by a number of methods including, but not limited to, one of the methods well known in the art and understood by those skilled in the art.
예를 들어, 상기 방법은 조직 또는 세포 샘플에서 mRNA 발현을 조사하는 프로토콜을 포함할 수 있다. 세포 내의 mRNA의 평가 방법은 공지되어 있고, 예를 들어, 상보성 DNA 프로브를 사용하는 혼성화 분석 및 다양한 핵산 증폭 분석 (예를 들어 상보성 프라이머를 사용하는 RT-PCR 등)을 포함한다. 또한, 상기 방법은 마이크로어레이 기술에 의해 조직 또는 세포 샘플에서 mRNA를 조사 또는 검출하는 프로토콜을 포함할 수 있다. 마이크로어레이 기술은 단일 실험 내에서 수천개의 유전자의 mRNA 발현 프로필을 평가하기 위해서 핵산 혼성화 기술 및 컴퓨터 기술을 이용한다
For example, the method can include a protocol for examining mRNA expression in a tissue or cell sample. Methods for evaluating mRNA in cells are well known and include, for example, hybridization assays using complementary DNA probes and various nucleic acid amplification assays (such as RT-PCR using complementary primers, etc.). The method may also include a protocol to probe or detect mRNA in a tissue or cell sample by microarray technology. Microarray technology uses nucleic acid hybridization and computer techniques to evaluate the mRNA expression profiles of thousands of genes in a single experiment
이와 같이, 본 발명은 mt3243 변이가 RXRA (retinoid X receptor a), 반응성 활성 산소종(ROS), 키나아제 JNK (c-JUN N-terminal kinase), 및 전사적 공활성자 PGC1a (peroxisome proliferator-activated receptor g, coactivator 1 a)를 포함하는 역행성 신호 경로를 유도하는 사실에 근거한, 핵심 신호전달 RXRa 인자의 용도에 관한 것으로, mt3243 변이 관련 미토콘드리아 기능 이상 및 이에 따른 퇴행성 질환에 대한 정보를 제공받을 수 있는 주요한 분석 대상으로 활용할 수 있을 것이다.
As described above, the present invention relates to the use of the mt3243 mutation in the production of retinoid X receptor a, reactive oxygen species (ROS), c-JUN N-terminal kinase (JNK), and peroxisome proliferator- Coactivator 1 a), which is based on the fact that the key signaling RXRa factor is used based on the fact that it induces a retrograde signaling pathway involving mt3243 mutation associated with mitochondrial dysfunction and consequent degenerative diseases It can be used as a target.
<실시예><Examples>
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.
이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
It is to be understood by those skilled in the art that these examples are for illustrative purposes only and that the scope of the present invention is not construed as being limited by these examples.
실험 준비 및 실험 방법Experimental Preparation and Experimental Methods
1. 인간 1. Human mtDNAmtDNA -결핍 세포(- deficient cells ( lackinglacking cellscells )의 세포 배양 및 혈소판-매개 전환(혈소판-) And platelet-mediated transformation (platelet- mediatedmediated transformationtransformation ))
EtBr(ethidium bromide)에 장기간 노출시켜 티미딘(thymidine) 키나아제 활성 결핍을 가져온 인간 143B 골육종 세포 유래 rho0 세포를 태국 국립 양밍 대학(National Yang-Ming University)의 Y.-H.Wei로부터 받았다. Human 143B osteosarcoma cell-derived rho0 cells, which had been exposed to EtBr (ethidium bromide) for a prolonged period of thymidine kinase activity, were obtained from Y.-H. Wei of National Yang-Ming University, Thailand.
상기 세포들을 5-브로모-2′-디옥시우리딘(100 mg/ml) (Sigma-Aldrich), 우리딘(uridine) (50 mg/ml) (Sigma-Aldrich), 및 10% FBS (fetal bovine serum)로 보충되어 있는 DMEM(Dulbeccos modified Eagles medium) 배지에서 성장시켰다. mtDNA 타겟 서열의 서던 블랏 분석 및 PCR 증폭으로 residual mtDNA의 부존재를 확인하였다. The cells were treated with 5-bromo-2'-deoxyuridine (100 mg / ml) (Sigma-Aldrich), uridine (50 mg / bovine serum) supplemented with DMEM (Dulbeccos modified Eagles medium). Southern blot analysis of the mtDNA target sequence and PCR amplification confirmed the absence of residual mtDNA.
mtDNA 공여자로서 혈소판을 사용하여, 시브리드(cybrid) 세포들을 생성하였다. Platelets were used as mtDNA donors to generate cybrid cells.
간단히 설명하면, 감각 신경성 청력손실(sensorineural hearing loss) 및 잠재성 변이 미토콘드리아(harboring mutated 미토콘드리아) tRNALeu (A3243G)를 가지고 있는 당뇨병 환자의 혈액 샘플로부터 혈소판-풍부 프랙션을 원심분리에 의해 분리하고, 143B rho0 세포들을 이 프랙션에 첨가하였다. 42% 폴리에틸렌 글리콜 1500 (Sigma-Aldrich)의 존재하 융합을 수행하였다. Briefly, platelet-rich fractions were isolated by centrifugation from blood samples from diabetic patients with sensorineural hearing loss and harboring mutated mitochondria tRNALeu (A3243G), and 143B rho0 cells were added to this fraction. Fusion was performed in the presence of 42% polyethylene glycol 1500 (Sigma-Aldrich).
세포성 융합 생성물의 희석을 제한함으로써, 3243A 호모플라즈미(homoplasmy) (W), 3243G 호모플라즈미(M), 및 3243A/G 헤테로플라즈미(heteroplasmy) (H)로 시브리드 클론들을 분리하였다. 이러한 클론들을 PCR-RFLP 분석 및 직접적 시퀀싱으로 확인하였다.By limiting the dilution of the cellular fusion product, the sibrid clones were isolated with 3243A homoplasmy (W), 3243G homoplasm (M), and 3243A / G heteroplasmy (H). These clones were confirmed by PCR-RFLP analysis and direct sequencing.
mtDNA의 완전한 재증식을 확인하기 위해, 3개월의 연속적인 계대배양 후 선별된 클론들의 기능적 평가를 수행하였다. 일관적인 분석을 위해, 16 ~ 18 계대에서 시브리드 세포를 사용하였다.To confirm complete repopulation of mtDNA, functional evaluation of selected clones was performed after 3 months of continuous subculture. For consistent analysis, Sibrid cells were used in 16-18 passages.
시브리드 세포에서 변이 DNA의 양을 측정하기 위해, 와일드 타입 및 변이 DNA를 혼합하여 0, 20, 40, 60, 80, 및 100%의 헤테로플라즈미 샘플들을 제조하고; 개개별 헤테로플라즈미 샘플들에서 밴드들의 강도를 농도계로 정량분석한 후 변이 DNA 퍼센테이지 및 이들의 강도들로 표준 곡선을 생성하였다. To determine the amount of mutated DNA in the sibrid cells, wild type and mutated DNA were mixed to produce 0, 20, 40, 60, 80, and 100% of the heteroplasmic samples; The intensity of the bands in the individual heteroplasma samples was quantitatively analyzed with a densitometer and standard curves were generated with mutation DNA percentages and their intensities.
표준 곡선을 이용하여, 시브리드 세포에서 측정된 강도에 대하여 변이 DNA 퍼센테이지를 정량화하였다.
The standard curve was used to quantify the mutation DNA percentage for the intensities measured in the siblide cells.
2.산소 소비량의 측정2. Measurement of oxygen consumption
DMEM에서 1 × 105 세포들의 현탁액을 96-웰 BD Oxygen Biosensor System plate (BD Biosciences)에 첨가하였다. 상기 플레이트를 30분 동안 37°C 하 5% CO2 인큐베이터에서 배양하였다. 485 nm 의 여기 파장(excitation wavelength) 및 630 nm의 방사 파장(emission wavelength)으로 VICTOR3 Multilabel Plate Reader (PerkinElmer)에 의해 산소 소비량을 측정하였다.
A suspension of 1 × 10 5 cells in DMEM were added in a 96-well BD Oxygen Biosensor System plate (BD Biosciences ). The plates were incubated in a 5% CO 2 incubator at 37 ° C for 30 minutes. Oxygen consumption was measured by a VICTOR3 Multilabel Plate Reader (PerkinElmer) with an excitation wavelength of 485 nm and an emission wavelength of 630 nm.
3. 3. ATPATP 생성 및 Generation and 시토크롬Cytochrome c 옥시다아제 분석 c Oxidase assay
1 × 104 세포들을 마이크로 플레이트에 씨딩하고 밤새 배양하였다.1 x 10 < 4 > cells were seeded in microplates and incubated overnight.
ATPLite kit (PerkinElmer)를 이용하여 ATP 양을측정하였다. 시토크롬 c 옥시다아제 활성을 공지문헌[E. A. Madden, B. Storrie, The preparative isolation of mitochondria from Chinese hamster ovary cells. Anal. Biochem. 163, 350~357 (1987))을 참조하여 분석하였다. 상기 활성은 Beckman DU 650 분광 광도계에 의해 측정하였다.
ATPLite kit (PerkinElmer) was used to measure the amount of ATP. The activity of cytochrome c oxidase is reported in a well-known document [EA Madden, B. Storrie, The preparative isolation of mitochondria from Chinese hamster ovary cells. Anal. Biochem. 163, 350-357 (1987)). The activity was measured by Beckman DU 650 spectrophotometer.
4. 4. 마이크로어레이Microarray 실험 Experiment
25,202 부가된 유전자에 상응하는 49,896 프로브를 포함하는 인간HT-12 v3 BeadChip (Illumina)로 시브리드 세포의 유전자 발현 프로파일을 생성하였다.The gene expression profile of the siblide cells was generated with human HT-12 v3 BeadChip (Illumina) containing 49,896 probes corresponding to 25,202 added genes.
Illumina 프로토콜에 따라, 각 타입의 시브리드 세포들의 세개의 생물학적 트리플케이트를 분석하였다. 전체 RNA (500 ng)를 RNeasy Mini Kit(Qiagen GmbH)를 이용하여 시브리드 세포로부터 분리하였다. Agilent 2100 Bioanalyzer로 측정했을 때, RIN(RNA integrity number)이 9.2~10의 범위에 있었다. RNA는 역전사되고 Illumina TotalPrep RNA Amplification Kit (Ambion)로 증폭되었다. According to the Illumina protocol, three biological triple kites of each type of sibrid cells were analyzed. Total RNA (500 ng) was isolated from siburide cells using the RNeasy Mini Kit (Qiagen GmbH). When measured with the Agilent 2100 Bioanalyzer, the RNA integrity number (RIN) ranged from 9.2 to 10. RNA was reverse transcribed and amplified with the Illumina TotalPrep RNA Amplification Kit (Ambion).
In vitro 전사(transcription)를 수행하여 상보적 RNA(cRNA)를 제작하였다. cRNA를 어레이에 혼성화하고 Cy3-스트렙타비딘(Amersham Bioscience)으로 표지하였다. 어레이상에서 형광 신호를 BeadStation 500 System (Illumina)로 측정하였다.
In vitro transcription was performed to produce complementary RNA (cRNA). cRNA was hybridized to the array and labeled with Cy3-streptavidin (Amersham Bioscience). Fluorescence signals were measured on the
5. 유전자 발현 데이터의 통계학적 분석5. Statistical analysis of gene expression data
어레이로부터 프로브 강도를 log2 값으로 전환하였다. 변위 표준화(quantile normalization) 방법으로 log2 값(intensities)을 표준화시켰다. 상기 프로브들은 Lumi 1.8.3으로 표지되었다. The probe intensity from the array was converted to a log2 value. The log2 values (intensities) were standardized by a quantile normalization method. The probes were labeled with Lumi 1.8.3.
발현된 유전자들을 확인하였다 DEGs를 확인하기 위해, 통합적 통계 가설 테스트(integrative statistical hypothesis testing)를 수행하였다. Students t test 및 log2 median ratio test를 모든 유전자들에 대해 수행하여 T 값 및 log2 median 비율을 계산하고; 귀무 가설(null hypothesis)의 실증적 분포를 샘플들의 임의적 치환군(permutations)의 모든 가능한 조합을 수행함으로써 평가하였다. 그 후 임의적 치환군으로부터 수득한 T 값 및 log2 median 비율에 대해 가우시안 커넬 밀도 평가 방법(Gaussian kernel density estimation method)을 적용하였다.To identify DEGs, integrative statistical hypothesis testing was performed. Students t test and log2 median ratio test were performed on all genes to calculate T value and log2 median ratios; The empirical distribution of the null hypothesis was evaluated by performing all possible combinations of random permutations of samples. The Gaussian kernel density estimation method was then applied to the T value and the log2 median ratio obtained from the arbitrary substitution group.
실증적 귀무 분포(empirical null distribution)로 양측 검정(two-tailed test)함으로써 개별적인 실험에 대한 각 유전자들의 P 값을 계산하고, 양 실험으로부터의 P 값을 Stouffers 방법으로 조합하였다. 조합된 P 값에 대한 FDRs을 Storey 방법으로 계산하고; DEGs의 최초 세트를 유전자로서 확인하였다(FDR ≤ 0.05). The P value of each gene for each experiment was calculated by two-tailed test with an empirical null distribution, and the P values from both experiments were combined by the Stouffers method. Calculate the FDRs for the combined P values in the Storey method; The first set of DEGs was identified as a gene (FDR < 0.05).
FDR ≤ 0.05의 DEGs의 최초 세트 중, cutoff (0.55;1.46-fold change), 평균 0.5th 및 99.5th 백분위수의 log2 발현율 변화(fold changes)의 귀무 분포보다 더 큰 절대적인 log2 발현율 변화를 가지는 DEGs의 최종 세트를 선별하였다.
Of the first set of DEGs with FDR ≤ 0.05, the DEGs with an absolute log2 expression variation greater than the nodal distribution of cutoff (0.55; 1.46-fold change), log2 expression changes of mean 0.5th and 99.5th percentiles The final set was selected.
6. 6. GOGO 생물학적 공정의 농축( Enrichment of biological processes ( EnrichmentEnrichment ) 분석) analysis
유전자 리스트에 대해 GO enrichment 분석을 위해, 각 GO 생물학적 공정 분석에서 사용되는 유전자들의 리스트를 수득하였다. OXPHOS(oxidative phosphorylation)를 위해, 산화적 인산화 GO 기간(terms)(0006119) 및 산화적 인산화 KEGG 경로(hsa00190) 모두로부터 수득되는 유전자들을 사용하였다.For GO enrichment analysis on the gene list, a list of genes used in each GO biological process analysis was obtained. For OXPHOS (oxidative phosphorylation), genes obtained from both the oxidative phosphorylation cycle terms (0006119) and the oxidative phosphorylated KEGG pathway (hsa00190) were used.
다른 GO 생물학적 공정 분석을 위해, 오직 상응하는 GO 기간들로부터 수득한 유전자들을 사용하였다. GO 생물학적 공정 분석을 위한 유전자들의 리스트들을 사용하여, P 값을 개별적인 클러스터에서 DAVID에 기재되어 있는 바와 같이 계산하였다(도 2 B). 각 클러스터에서 유전자들 내에 풍부한 GO 생물학적 공정들을 확인하였다(P < 0.05).
For other GO biological process analyzes, only the genes obtained from the corresponding GO periods were used. Using the lists of genes for GO biological process analysis, the P values were calculated as described in DAVID in individual clusters (FIG. 2B). We confirmed abundant GO biological processes in the genes in each cluster (P <0.05).
7. 잠재적 역행성 신호 7. Potential retrograde signals TFsTFs 의 확인Confirmation of
잠재적 역행성 신호 TFs를 확인하기 위해, 역행성 신호 TFs, 223,665 TF 타켓 상호작용을 수집하였다.To identify potential retrograde signal TFs, the retrograde signal TFs, 223,665 TF target interactions were collected.
각 TF에 대해 TF-타겟 정보를 이용하여, 12개 클러스터에서 타겟의 수를 계수하여 통계학적으로 유의미한 수의 타겟 72개를 12 DEG 클러스터에서 다음과 같은 방법으로 선별하였다(FDR < 0.01): 각 TF에 대하여 우선, 어레이 상에 스팟화된 유전자 풀(pool)로부터 각 클러스터에서 DEGs로서 100,000 배의 동일 수의 유전자들을 임의적으로 샘플화하고, 샘플 유전자들 중 TF의 타겟 수를 계수하였다; 각 클러스터에서, 가우시안 커넬 밀도 평가(Gaussian kernel density estimation)를 이용하여 임의의 100,000 샘플링으로부터 TF의 타겟 수에 대한 실증적 분포를 평가하였다; 그리고 실증적 분포를 통해, Storey 방법으로 상응하는 클러스터에서 관찰되는 TF의 타겟 수에 대한 FDRs를 계산하였다. Using the TF-target information for each TF, the number of targets in 12 clusters was counted and a statistically significant number of 72 targets were selected in the 12 DEG cluster (FDR <0.01): For TF, first, arbitrarily sampled as many as 100,000 times the same number of genes as DEGs in each cluster from a pool of genes spotted on the array, and the target number of TFs among the sample genes was counted; In each cluster, Gaussian kernel density estimation was used to evaluate the empirical distribution of the target number of TFs from any 100,000 samplings; Through empirical distributions, FDRs were calculated for the target number of TFs observed in the corresponding clusters using the Storey method.
이러한 공정으로 12개의 클러스터에서 각 TF에 대한 FDRs 결과를 도출하였다. 다음의 기준에 따라 잠재적 역행성 신호 TF 후보군을 선별하였다: 4개의 상이한 클러스터(12개 클러스터의 25%) 이상에서, 전체 수 2404 DEGs에 의해 나누어진 클러스터 i 에서 DEGs의 수를 wi로 하고, 만약 cluster i 에서(0은 제외) FDR < 0.01이면 Ii는 1임. 이러한 엄격한 기준으로, 위양성(false positives) 비율을 감소시킨, 신뢰성 있는 TF 후보군을 결과로 수득하였다.
This process yielded FDRs results for each TF in 12 clusters. The potential retrograde signal TF candidates were selected according to the following criteria: the number of DEGs in cluster i divided by the total number of 2404 DEGs in four different clusters (25% of 12 clusters) In cluster i (excluding 0), Ii is 1 if FDR <0.01. With this stringent criterion, reliable TF candidates were obtained resulting in a reduced false positives ratio.
8. siRNA 주입(injection)8. siRNA injection
siRNA 합성 후에 OneDrop Microporator MP Kit (Invitrogen)를 이용하여 세포들을 일시적으로 트랜스펙션 시켰다.After siRNA synthesis, cells were transiently transfected using the OneDrop Microporator MP Kit (Invitrogen).
1 × 105 세포들을 재현탁액 버퍼 100 ml에 재현탁하고 100 nM siRNA (RXRA; Thermo Scientific Dharmacon RNAi Technologies, L-003443-00-0005)로 트랜스펙션하였다. 트랜스펙션 후, 상기 세포들을 미리 가온된 신선한 DMEM를 함유하는 6 웰 플레이트(Nunc)로 옮기고 37°C 및 5% CO2에서 72시간 동안 유지시켰다. 특이적 전사를 위한 mRNA 양을 qRT-PCR로 모니터링하였다.
1 (RXRA; Thermo Scientific Dharmacon RNAi Technologies, L-003443-00-0005) × 10 5 cell suspension was re-suspended again in 100 ml of buffer and 100 nM siRNA was transfected into. After transfection, the cells were transferred to 6 well plates (Nunc) containing warm pre-warmed DMEM and maintained at 37 ° C and 5% CO 2 for 72 hours. The amount of mRNA for specific transcription was monitored by qRT-PCR.
9.면역세포화학(9. Immunocytochemistry ( ImmunocytochemistryImmunocytochemistry ))
Lab-Tek II Chamber Slide (Nunc) 상에서 세포들을 성장시키고 24시간 동안 RA를 처리하였다. 상기 세포들을 인산화-버퍼 식염수(PBS)로 헹구고 20분동안 메탄올에서 고정시킨 후 다시 PBS로 헹구었다. 세포들을 RXRA (rabbit, Santa Cruz, sc-553) 또는 PGC1a (mouse, Santa Cruz, sc-13067) 및 미토콘드리아 마커(mouse, Abcam, ab3298)에 대한 항체들[www.sciencesignaling.org/cgi/content/full/6/264/rs4/DC1 참조(table S11)]과 함께 4°C에서 밤새 배양하였다. 세포들을 PBS로 헹구고 2차 항체: Alexa Fluor 555 donkey anti-rabbit immunoglobulin G (IgG) (Invitrogen, A31572) 및 IgG (Invitrogen, A21427)로 상온에서 1시간 동안 배양하였다. 농도 정보는 하기 표에 기재하였다.Cells were grown on a Lab-Tek II Chamber Slide (Nunc) and treated with RA for 24 hours. The cells were rinsed with phosphorylated-buffered saline (PBS), fixed in methanol for 20 minutes, and rinsed again with PBS. Cells were incubated with antibodies against RXRA (rabbit, Santa Cruz, sc-553) or PGC1a (mouse, Santa Cruz, sc-13067) and mitochondrial markers (mouse, Abcam, ab3298) [www.sciencesignaling.org/cgi/content/ full / 6/264 / rs4 / DC1 reference (table S11)] at 4 ° C overnight. Cells were rinsed with PBS and incubated for 1 hour at room temperature with secondary antibody: Alexa Fluor 555 donkey anti-rabbit immunoglobulin G (IgG) (Invitrogen, A31572) and IgG (Invitrogen, A21427). The concentration information is described in the following table.
핵의 카운터염색을 위해, 세포들을 40초 동안 DAPI (1 mg/ml; Sigma-Aldrich)로 배양하였다. PBS로 세척 후, VECTASHIELD 마운팅 배지(Vector Laboratories)로 커버슬립을 글래스 슬라이드 상에 마운팅하고, LSM 710 공초점 현미경(Carl Zeiss)으로 분석하였다.
For counter-staining of nuclei, cells were incubated with DAPI (1 mg / ml; Sigma-Aldrich) for 40 seconds. After washing with PBS, cover slips were mounted on glass slides with VECTASHIELD mounting medium (Vector Laboratories) and analyzed with LSM 710 confocal microscope (Carl Zeiss).
10. PLA(10. PLA ( ProximityProximity ligationligation assayassay ))
RA 처리 및 처리없이 시브리드 세포의 각 타입에서 PLA를 수행하여 RXRA-PGC1a 상호작용을 가시화하였다. 세포들을 차가운 PBS로 세척하고, RXRA (rabbit, Santa Cruz, sc-553) 또는 PGC1a (mouse, Santa Cruz, sc-13067)에 대한 항체들(표 2)로 4°C에서 밤새 배양하였다. Duolink detection kit (Olink Bioscience)로 근접 라이게이션(Proximity ligation)을 수행하였다. 검출 반응동안 Hoechst 염색을 수행하여 핵을 가시화하였다. PLA was performed on each type of siburid cell without RA treatment and treatment to visualize the RXRA-PGC1a interaction. Cells were washed with cold PBS and incubated overnight at 4 ° C with antibodies against RXRA (rabbit, Santa Cruz, sc-553) or PGC1a (mouse, Santa Cruz, sc-13067) (Table 2). Proximity ligation was performed with Duolink detection kit (Olink Bioscience). During the detection reaction, Hoechst staining was performed to visualize the nucleus.
VECTASHIELD 마운팅 배지(Vector Laboratories)로 샘플들을 마운팅하고 LSM 710 공초점 현미경으로 분석하였다. 각 세포당 in situ PLA 신호들의 수를, BlobFinderV3.0로 반자동화된 이미지에 의해 계수하였다.
Samples were mounted with a VECTASHIELD mounting medium (Vector Laboratories) and analyzed with an LSM 710 confocal microscope. The number of in situ PLA signals per cell was counted by semi-automated imaging with BlobFinderV3.0.
11.11. FRBFRB 분석 analysis
플라스미드 DNA 합성 후 OneDrop Microporator MP Kit(Invitrogen)를 이용하여 세포들을 일시적으로 트랜스펙션하였다. qRT-PCR을 위해, 5 × 105 세포들을 100 ml 재현탁 버퍼에 재현탁하고, FKBP-RXRA 및 FRB을 함유하는 플라스미드 10mg으로 트랜스펙션하였다.After plasmid DNA synthesis, cells were transiently transfected using the OneDrop Microporator MP Kit (Invitrogen). For qRT-PCR, illustration was 5 × 10 5 cells re-suspended in 100 ml of resuspension buffer, and transfected with plasmids containing 10mg FKBP and FRB-RXRA.
PLA 분석을 위해, 1 × 104 세포들을 10 ml 재현탁 버퍼에 재현탁하고 미리 가온된 신선한 DMEM으로 글래스-바닥 디쉬 (glass-bottomed dish (Nunc))의 웰에 두고 FKBP-RXRA 및 FRB를 함유하는 1 mg의 각 플라스미드로 트랜스펙션한 후, 37°C 및 5% CO2에서 72시간 동안 유지하였다. 그 후 상기 세포들을 1 nM 라파마이신과 함께 20분 동안 상온에서 배양하고 다 , RXRA 및 PGC1a 간 상호작용을 PLA 분석으로 측정하였다. 특이적 전사작용의 mRNA 양(abundance)을 qRT-PCR로 모니터링하였다.
For PLA analysis, 1 × 10 4 resuspended glass with fresh DMEM pre-warmed in 10 ml of resuspension buffer, the cells placed in a well of the bottom dish (glass-bottomed dish (Nunc) ) containing FKBP-RXRA and FRB after transfection with plasmids each of which 1 mg was maintained at 37 ° C and 5% CO 2 for 72 hours. The cells were then incubated with 1 nM rapamycin for 20 minutes at room temperature, and the interaction between RXRA and PGC1a was measured by PLA analysis. The mRNA abundance of the specific transcriptional activity was monitored by qRT-PCR.
12. 12. RARA , 아스코르브산, , Ascorbic acid, JNKJNK 저해제 또는 미토콘드리아 독성물질에 대한 세포들의 노출 Exposure of cells to inhibitor or mitochondrial toxin
세포들을 10% FBS가 보중된 고 글루코스의 DMEM에서 성장시키고 37°C 및 5% CO2에서 배양하였다. 상기 세포들을 10 mM 9-cis-RA (Sigma, R4643)로 24시간 동안 처리하였다.Cells were grown in high glucose DMEM supplemented with 10% FBS and incubated at 37 ° C and 5% CO 2 . The cells were treated with 10 mM 9-cis-RA (Sigma, R4643) for 24 hours.
그리고 세포들을 5 mM 아스코르브산(Sigma-Aldrich, A4403) 또는 10 mM SP600125 (JNK 저해제, Sigma-Aldrich, S5567)에 1시간 동안 노출시켰다. 아스코르브산 또는 SP600125 및 미토콘드리아 독성물질에 노출시킨 세포들에 대하여, 5mM 아스코르브산 또는 10 mM SP600125로 1시간 동안 세포들을 처리하고, 그 후 3 mM rotenone(Sigma-Aldrich, R8875), 15 mM 안티마이신 A (Sigma-Aldrich, A8674), 또는 12 mM 올리고마이신(Sigma-Aldrich, O4876)을 첨가하고, 세포들을 37°C 및 5% CO2에서 18시간 동안 배양하였다. 그리고 상기 세포들을 수득하여 웨스턴 블랏 및 qRT-PCR을 수행하였다
The cells were then exposed to 5 mM ascorbic acid (Sigma-Aldrich, A4403) or 10 mM SP600125 (JNK inhibitor, Sigma-Aldrich, S5567) for 1 hour. Cells exposed to ascorbic acid or SP600125 and mitochondrial toxin were treated with 5 mM ascorbic acid or 10 mM SP600125 for 1 hour and then treated with 3 mM rotenone (Sigma-Aldrich, R8875), 15 mM antimycin A (Sigma-Aldrich, A8674), or 12 mM oligomycin (Sigma-Aldrich, O4876) were added and the cells were incubated at 37 ° C and 5% CO 2 for 18 hours. The cells were harvested and subjected to Western blot and qRT-PCR
13. 정량적 13. Quantitative RTRT -PCR(-PCR ( QuantitativeQuantitative RTRT -- PCRPCR ))
RNA를 TRIzol 시약(Invitrogen Corp.)으로 분리하고, 풀(pool)을 만든 후 역전사 시스템(Reverse Transcription System (Takara))을 이용하여 제1가닥 상보적 DNA(first-strand complementary DNA) 합성을 수행하였다. qPCR 프라이머 서열을 Primer Express (Applied Biosystems; 표 3)에 의해 디자인하였다. RNA was isolated with TRIzol reagent (Invitrogen Corp.), pooled, and first strand complementary DNA synthesis was performed using a Reverse Transcription System (Takara) . The qPCR primer sequences were designed by Primer Express (Applied Biosystems; Table 3).
7900HT Fast Real-Time PCR System (Applied Biosystems)으로 qRT-PCR을 수행하였다. 한계 사이클 수(Threshold cycle number) 및 반응 효율을 GeneAmp 7900HT Sequence Detection System (PerkinElmer Corp.)에서 소프트웨어를 이용하여 결정하였다. QRT-PCR was performed with the 7900HT Fast Real-Time PCR System (Applied Biosystems). The threshold cycle number and reaction efficiency were determined using software on a GeneAmp 7900HT Sequence Detection System (PerkinElmer Corp.).
다음의 프로파일을 사용하였다: 95°C에서 10분 동안, 그 후 95°C에서 15 s 및 60°C에서 60 s 동안 40 사이클. 발현을 GAPDH에 의해 표준화하였다.The following profiles were used: 10 min at 95 ° C, then 15 cycles at 95 ° C and 40 cycles at 60 ° C for 60 s. Expression was normalized by GAPDH.
웨스턴 블럿 분석 세포 용해물(lysates)(50 mg)로 12% SDS-폴리아크릴아마이드겔 전기영동을 수행하고 니트로셀룰로오스 멤브레인 상에 옮겼다 상기 멤브레인을 일차 항체들과 배양하였다. 세척 후, 블럿들을 HRP(horseradish peroxidase)-결합된 이차 항체들과 함께 배양하였다.Western blot analysis Cells lysates (50 mg) were subjected to 12% SDS-polyacrylamide gel electrophoresis and transferred onto nitrocellulose membranes. The membranes were incubated with primary antibodies. After washing, the blots were incubated with HRP (horseradish peroxidase) -binding secondary antibodies.
상기 블럿들을 SuperSignal West Pico Chemiluminescent Substrate (Pierce)로 발달시켰다. 일차 항체들의 목록은 상기 표 2에 기재하였다. 세포내 ROS 세포들의 측정은, 10% FBS 보충된 DMEM 배지에서 15 분 동안 2′,7′-디클로로하이드로-fluorescein 디아세테이트 (Invitrogen)를 처리하여 이루어졌다. 여기 파장 485 nm 및 방사 파장 535 nm에서 VICTOR3 Multilabel Plate Reader (PerkinElmer)를 이용하여 형광 물질을 검출하였다.
The blots were developed into SuperSignal West Pico Chemiluminescent Substrate (Pierce). A list of primary antibodies is set forth in Table 2 above. Measurement of intracellular ROS cells was performed by treating 2 ', 7'-dichlorohydrofluorescein diacetate (Invitrogen) in DMEM medium supplemented with 10% FBS for 15 minutes. Fluorescent materials were detected using a VICTOR3 Multilabel Plate Reader (PerkinElmer) at excitation wavelength 485 nm and emission wavelength 535 nm.
14. 통계학적 분석14. Statistical analysis
모든 데이터들을 미처리된 W 세포(대조군)에서 레플리카 데이터의 평균값으로 표준화시켰고 평균 ± SD로서 표현하였다. 2개의 그룹의 비교를 위해(예를 들어, siRNA 처리 및 미처리 샘플), two-tailed Students t test를 사용하였다. 또한, 1개 변수의 다중 그룹 간의 비교를 위해(예를 들어, W, H, 및 M 세포에서의 O2 소비량, ATP 함량, mRNA, 및 RXRA 단백질 함량), post hoc test로서 Bonferroni correction의 one-way ANOVA를 사용하였다.All data were normalized to mean values of replica data in untreated W cells (control) and expressed as mean +/- SD. Two-tailed Students t test was used for comparison of two groups (eg, siRNA treatment and untreated samples). Also, one-way of Bonferroni correction as a post hoc test for comparison between multiple groups of one variable (e.g., O2 consumption in W, H and M cells, ATP content, mRNA, and RXRA protein content) ANOVA was used.
마지막으로 2개 변수의 다중 그룹간 비교를 위해(예를 들어, 변이 로드(load) 및 처리), post hoc test로서 Bonferroni correction의 two-way ANOVA를 사용하였다. 모든 경우에 있어서, P < 0.05 로 유의성의 기준이 세팅되었다.
Finally, a two-way ANOVA of Bonferroni correction was used as a post hoc test to compare multiple groups of two variables (for example, load and processing). In all cases, a criterion of significance was set at P < 0.05.
실시예 1 : mt3243 변이를 수반하는 시브리드 세포에서의 미토콘드리아 기능 이상(dysfunctions) 확인Example 1: Identification of mitochondrial dysfunctions in sibrid cells with mt3243 mutation
mt3243 변이에 의한 미토콘드리아 기능 이상으로 유도되는 역행성 신호경로를 확인하기 위해, 미토콘드리아-매개된 형질전환 방법을 이용하여 3가지 시브리드 세포를 생성하였다.To identify the retrograde signaling pathway induced by mitochondrial dysfunction by the mt3243 mutation, three sibridate cells were generated using mitochondria-mediated transformation.
mtDNA 결핍 세포들을, 감각 신경성 청력 손실을 지닌 당뇨병 환자의 혈소판으로부터 분리한 mt3243 변이로 mtDNAs와 융합하였다. mtDNA 프로브를 이용하여 PCR-RFLP(restriction fragment length polymorphism) 분석에 의해 시브리드 세포의 변이 mtDNA 및 와일드 타입의 비율을 결정하였다(도. 1A). mtDNA deficient cells were fused with mtDNAs in the mt3243 mutation, which was isolated from platelets in diabetic patients with sensorineural hearing loss. The ratio of mutant mtDNA and wild type of the sibridate cells was determined by restriction fragment length polymorphism (PCR) analysis using an mtDNA probe (Fig. 1A).
그리고, 시브리드 세포의 3가지 타입을 분리하였다 : W 세포는 와일드 타입 mtDNA (3243A homoplasmy)을 가짐, H 세포는 3243G를 함유하는 70%의 mtDNA를 가지는, 변이 및 와일드 타입 mtDNA (3243A/G heteroplasmy) 모두를 가짐, 그리고 M 세포는 오직 변이 mtDNA (3243G homoplasmy)만을 가짐. Three types of Sibrid cells were isolated: W cells had wild-type mtDNA (3243A homoplasm), H cells were mutated and wild type mtDNA (3243A / G heteroplasmy) with 70% mtDNA containing 3243G ), And M cells have only mutated mtDNA (3243G homoplasmy).
또한, mt3243 변이에 의한 미토콘드리아 기능 이상을 확인하기 위해, 시브리드 세포의 3가지 타입에서 O2 소비량 및 상대적인 아데노신 5′-트리포스페이트 (ATP) 함량을 측정하였다. In addition, O2 consumption and relative adenosine 5'-triphosphate (ATP) content were measured in three types of siburide cells to confirm mitochondrial dysfunction due to mt3243 mutation.
H 및 M 세포에서, O2 소비량 및 ATP 함량 모두 W 세포와 비교하여 현저하게 감소하였다 (도 1, B 및 C), 이는 이전 연구들과 일치하는 결과이다. In H and M cells, both O2 consumption and ATP content were significantly reduced compared to W cells (Fig. 1, B and C), which is consistent with previous studies.
또한, 5개의 OXPHOS 복합체의 대표적인 효소들의 양을 시험하였다 (도 1D). H 및 M 세포에서, 3개의 효소들의 양이 감소하였다. 또한, OXPHOS 복합체 IV에서 시토크롬 c 옥시다아제의 활성이 H 및 M 세포에서 감소하였다(도 1E). 3개의 데이터들은 상기 mt3243 변이가 OXPHOS 효소의 양 및 활성 모두를 감소시킴으로써 OXPHOS 이상(dysfunctions)을 유도함을 보여주었다.
In addition, the amount of representative enzymes of the five OXPHOS complexes was tested (Fig. 1D). In H and M cells, the amount of the three enzymes decreased. In addition, the activity of cytochrome c oxidase in OXPHOS complex IV decreased in H and M cells (Fig. 1E). Three data showed that the mt3243 mutation induced OXPHOS dysfunctions by decreasing both the amount and activity of the OXPHOS enzyme.
실시예 2 : mt3243 변이에 의한 mRNA 양의 변화Example 2: Change in mRNA amount due to mt3243 mutation
mt3243 변이에 의한 OXPHOS 이상은 역생성 신호 경로를 활성화하여, 핵 유전자 발현의 변화를 야기한다. 시브리드 세포의 3가지 타입(W, H, 및 M 세포)의 유전자 발현 프로파일링을 수행하고, 다른 타입간 mRNA 양을 비교하였다(H vs W, M vs W, M vs H).OXPHOS anomalies caused by the mt3243 mutation activate the inversed signaling pathway, resulting in changes in nuclear gene expression. Gene expression profiling of three types of Sibrid cells (W, H, and M cells) was performed and the amount of mRNA between different types was compared (H vs W, M vs W, M vs H).
적어도 3가지의 비교에서, 0.05 이하의 FDR(false discovery rate) 및 1.46 이상의 배수 변화를 가지는 2404개의 서로 상이하게 발현되는 유전자들(differentially expressed genes, DEGs)을 확인하였다 (도 2A). In at least three comparisons, we identified 2404 differentially expressed genes (DEGs) with a false discovery rate (FDR) of less than 0.05 and a multiple of 1.46 or more (Figure 2A).
이러한 DEGs은 이전에 mt3243 변이에 의해 영향을 받는 것으로 알려진 세포성 공정에 관여하는 단백질들을 코딩한다(도 3A). 또한, mt3243 변이에 의해 영향을 받는 것으로 알려진 56 유전자들 중에서, 19 유전자들이 2404 DEGs (P <10-6; 도 3B)을 공유하고 있었다.These DEGs code for proteins involved in cellular processes previously known to be affected by the mt3243 mutation (Figure 3A). Of the 56 genes known to be affected by the mt3243 mutation, 19 genes shared 2404 DEGs (P <10-6; FIG. 3B).
많은 수들의 DEGs이 M vs W 및 M vs H (각각 1687 및 1350 DEGs)의 비교로부터 확인되었지만, 오직 540 DEGs은 H vs W의 비교로부터 확인되었다.A large number of DEGs were identified from a comparison of M vs W and M vs H (1687 and 1350 DEGs respectively), but only 540 DEGs were confirmed from a comparison of H vs W.
이러한 데이터들은 유전자 발현이, 변이 로드-의존적 방법(mutation load-dependent manner)에서 단일 포인트 변이에 의해 유의미하게 변화할 수 있음을 의미한다.These data indicate that gene expression can be significantly altered by a single point mutation in a mutation load-dependent manner.
mt3243 변이는 주로 OXPHOS에 영향을 주어 이후 다중 세포성 공정들(multiple cellular processes)들을 교란시킬 수 있게 한다. 이러한 공정들을 체계적으로 조사하기 위해, 2404 DEGs를 상이한 발현 패턴에 근거하여 26개의 클러스터로 분류화하였다(표 4 및 S3).The mt3243 mutation primarily affects OXPHOS, allowing subsequent disturbing of multiple cellular processes. To systematically investigate these processes, 2404 DEGs were grouped into 26 clusters based on different expression patterns (Table 4 and S3).
26개 클러스터 중에서, 12개의 클러스터에 대해 좀 더 집중하여 조사하였는데(도 2B), 각 클러스터는 적어도 25개 이상의 유전자들(DEGs의 전체 수의 1%; 표 4)을 포함하고 있었다.Of the 26 clusters, 12 clusters were more focused (Figure 2B), with each cluster containing at least 25 genes (1% of the total number of DEGs; Table 4).
각 개별적인 클러스터에서 Gene Ontology (GO) Biological Processes using DAVID software의 농축 분석(enrichment analysis)을 수행함으로써 유전자들에 의해 표현되는 세포성 공정들을 확인하였다 [도 2C 및 www.sciencesignaling.org/cgi/content/full/6/264/rs4/DC1 참조 (table S4)].Cellular processes expressed by genes were identified by performing enrichment analysis of DAVID software using Gene Ontology (GO) Biological Processes in each individual cluster [Fig. 2C and www.sciencesignaling.org/cgi/content/ full / 6/264 / rs4 / DC1 reference (table S4)].
상기 분석은 mt3243 변이에 의해 영향을 받는 유전자들이 미토콘드리아 공정(미토콘드리아 이동, 미토콘드리아 조직화(organization), OXPHOS, ROS에 대한 반응 및 산화적 스트레스, 질소 화합물 생합성 공정), 단백질 항상성-관련 공정(번역, 리보솜 생발생(biogenesis), 단백질 수송 및 단백질 유비퀴틴화 조절) 및 세포 증식(proliferation)-관련 공정(세포 증식 조절, DNA 보수, 세포사멸 조절 전사 조절, 염색질 조합과 분해 및 RNA 프로세싱) 공정에 주요하게 관여함을 보여주었다.These analyzes indicate that genes affected by the mt3243 mutation are involved in mitochondrial processes (mitochondrial migration, mitochondrial organization, OXPHOS, response to ROS and oxidative stress, nitrogen compound biosynthesis processes), protein homeostasis- It is primarily involved in processes related to biogenesis, protein transport and protein ubiquitination, and cell proliferation-related processes such as cell proliferation regulation, DNA repair, apoptosis regulatory transcription, chromatin assembly and degradation and RNA processing. .
이러한 결과들은 단일 포인트(mt3243) 변이에 의한 미토콘드리아 기능 이상이, 이러한 세포성 공정들을 변화시키는 다양한 역행성 신호 경로의 활성을 반영할 것 같은 세포성 공정의 넓은 스펙트럼에 영향을 미침을 보여주었다.
These results have shown that mitochondrial dysfunction by single point (mt3243) mutations affects a broad spectrum of cellular processes that may reflect the activity of various retrograde signaling pathways that alter these cellular processes.
실시예Example 3 : 3: mt3243mt3243 변이에 의한 By mutation mRNAmRNA 양의변화를Change of quantity 조절하는 잠재적 Potential to regulate TFsTFs
여러 신호 경로 및 이들의 다운스트림 TFs는 미토콘드리아 역행성 신호조절에 포함되어 있다.Several signal paths and their downstream TFs are involved in mitochondrial retrograde signal conditioning.
mt3243 변이에 의해 활성화되는 역행성 신호 경로들을 조사하기 위해, 선별한 12 클러스터에서유전자 발현의 변화에 기여할 수 있는 잠재적 다운스트림 TFs을 확인하였다(도 2B). To investigate the retrograde signaling pathways activated by the mt3243 mutation, potential downstream TFs that could contribute to changes in gene expression in the selected 12 clusters were identified (FIG. 2B).
799 TFs에 대하여, MetaCore 및 5개의 단백질-DNA interactome databases (표 1)로부터 223,665 TF-타겟 상호작용을 이용하여 개별적인 DEG 클러스터에서 그들의 타겟의 수를 계수하였다. For 799 TFs, 223,665 TF-target interactions from MetaCore and 5 protein-DNA interactome databases (Table 1) were used to count the number of their targets in individual DEG clusters.
그 후, 역행성 신호에 관여할 수 있는 TF 후보로서 12개 클러스터에서 타겟의 유의한 수를 가지는(FDR < 0.01) 72 TFs를 선별하였다[도 2D 및 www.sciencesignaling.org/cgi/content/full/6/264/rs4/DC1 참조(table S6A)]. 많은 수의 후보들(72 TFs)은 mt3243 변이에 의한 미토콘드리아 기능 이상이 다양한 역행성 신호 경로들을 유도함을 시사한다. 72 TFs 중, 26개는 공지된 역행성 신호 경로들에 관여한다[www.sciencesignaling.org/cgi/content/full/6/264/rs4/DC1 참조 (table S6B)]. Thereafter, 72 TFs with a significant number of targets (FDR < 0.01) in 12 clusters were selected as TF candidates that could participate in the retrograde signal (Fig. 2D and www.sciencesignaling.org/cgi/content/full / 6/264 / rs4 / DC1 reference (table S6A)]. A large number of candidates (72 TFs) suggest that mitochondrial dysfunction due to the mt3243 mutation induces a variety of retrograde signaling pathways. Of the 72 TFs, 26 are involved in known retrograde signaling paths [see www.sciencesignaling.org/cgi/content/full/6/264/rs4/DC1 (table S6B)].
또한, 72 TFs 중 15의 mRNA 양은, 낮은 변이 로딩을 가진 세포들과 비교하여 보다 높은 변이 로딩(load)으로 세포에서 증가하거나 감소하였다(H vs W, M vs W, 또는 M vs H): NR2F2의 mRNA 양, ETS1, FOSB, FOS, E2F6, 및 MYC는 증가함. 그리고 HSF1, RXRA, MAZ, ELK1, ELF1, CREB1, EGR1, FOSL1, 및 JUNB의 양은 감소함[www.sciencesignaling.org/cgi/content/full/6/264/rs4/DC1 참조 (table S6B)]. In addition, the amount of mRNA of 15 out of 72 TFs was increased or decreased in cells with higher mutation load (H vs W, M vs W, or M vs H) compared to cells with lower mutation loading: NR2F2 MRNA levels, ETS1, FOSB, FOS, E2F6, and MYC were increased. And the amounts of HSF1, RXRA, MAZ, ELK1, ELF1, CREB1, EGR1, FOSL1, and JUNB are reduced [see www.sciencesignaling.org/cgi/content/full/6/264/rs4/DC1 (table S6B)].
15 TFs 중, 7 (FOSB, FOS, MYC, CREB1, EGR1, FOSL1, and JUNB)는 미토콘드리아 역행성 신호에 관여하는 것으로 보고되어 있다. [도 4 및 www.sciencesignaling.org/cgi/content/full/6/264/rs4/DC1 참조(table S6B)].
Of the 15 TFs, 7 (FOSB, FOS, MYC, CREB1, EGR1, FOSL1, and JUNB) are reported to be involved in mitochondrial retrograde signals. [See Figure 4 and www.sciencesignaling.org/cgi/content/full/6/264/rs4/DC1 (table S6B)].
실시예 4 : OXPHOS 유전자의 mRNA 양을 조절하는 역행성 신호 TFsExample 4: Reverse-signaling TFs regulating the amount of mRNA of the OXPHOS gene
OXPHOS 효소들을 인코딩하는 유전자들의 mRNA 양 변화는 미토콘드리아 기능 이상의 잘 알려진 특징이다. 미토콘드리아 기능 이상의 심각성 및 타입에 의존하여, OXPHOS 유전자의 mRNA 양은 증가하거나 감소한다.Changes in mRNA levels of genes encoding OXPHOS enzymes are a well-known feature over mitochondrial function. Depending on the severity and type of mitochondrial function, the amount of mRNA of the OXPHOS gene is increased or decreased.
mt3243 변이의 존재에 의해 변화된 46 OXPHOS 유전자 중에서, 44의 mRNA 양은 감소하였다. Of the 46 OXPHOS genes that were altered by the presence of the mt3243 mutation, 44 mRNA levels were reduced.
감소된 mRNA 양은 핵-코딩된 OXPHOS 효소들의 단백질 양의 감소를 가져오고(도 1D), 이는 양성 피드백 루프로서 제공되어, mt3243 변이에 따른 미토콘드리아-코딩된 OXPHOS 효소의 양에서의 감소를 야기하는 OXPHOS 이상을 강화시킨다.The reduced amount of mRNA results in a decrease in the amount of nuclear-coded OXPHOS enzyme protein (Fig. 1D), which is provided as a positive feedback loop, resulting in a decrease in the amount of mitochondria-coded OXPHOS enzymes according to the mt3243 mutation Or more.
그러므로, OXPHOS 이상을 야기하는 핵-코딩된 OXPHOS 유전자의 mRNA 양의 감소를 가져오는 미토콘드리아 역행성 신호는 mt3243 변이의 존재에 의해 유도된다. Therefore, the mitochondrial retrograde signal, which results in a decrease in the amount of mRNA of the nuclear-coded OXPHOS gene causing OXPHOS anomalies, is induced by the presence of the mt3243 mutation.
Gene Ontology Biological Processes (도 2C)의 농축 분석(enrichment analysis)은, 12개 클러스터 중에서, OXPHOS와 관련된 유전자들이 클러스터 17 (C17)에서 가장 현저하게 나타났고, 이는 H 세포가 아닌 M 세포에서 감소하는 mRNA 양을 가지는 유전자들을 포함하였다(도 2B). Enrichment analysis of Gene Ontology Biological Processes (Fig. 2C) showed that OXPHOS-related genes were most prominent in cluster 17 (C17) among 12 clusters, indicating that mRNA (Fig. 2B).
mt3243 변이의 존재에 의해 변화된46 OXPHOS 유전자들 중에서(표 S7), 36 유전자들은 C17에 속하였다. C17에서 유전자들의 발현을 변화시키는 역행성 신호 경로를 확인하기 위해, C17에서 유의한 수의 타겟들을 가지는 52 후보 TFs를 확인하였다[FDR < 0.01; www.sciencesignaling.org/cgi/content/full/6/264/rs4/DC1 차참조(table S6A) 및 도 2D]. Of the 46 OXPHOS genes (Table S7) that were altered by the presence of the mt3243 mutation, 36 genes belonged to C17. To identify the retrograde signaling pathways that alter the expression of genes in C17, we identified 52 candidate TFs with a significant number of targets at C17 (FDR <0.01; www.sciencesignaling.org/cgi/content/full/6/264/rs4/DC1 reference (table S6A) and Figure 2D].
52 TFs의 10개(AR, ESR1, ESRRA, HNF4A, NKFB1, NRF1, REL, RELA, RXRA, 및 YY1)는 PGC1a (PPARGC1A) [www.sciencesignaling.org/cgi/content/full/6/264/rs4/DC1 참조(table S6B)], OXPHOS 및 미토콘드리아 생성(biogenesis)의 주요 조절자들로 전사 조절 복합체를 형성한다. 이러한 데이터들은 PGC1a-TF 복합체가 C17에서 유전자의 mRNA 양 감소에 기여함을 시사한다.10 TFs (AR, ESR1, ESRRA, HNF4A, NKFB1, NRF1, REL, RELA, RXRA, and YY1) were identified as PGC1a (PPARGC1A) [www.sciencesignaling.org/cgi/content/full/6/264/rs4 / DC1 reference (table S6B)], major regulators of OXPHOS and mitochondrial production (biogenesis). These data suggest that the PGC1a-TF complex contributes to the reduction of the mRNA level of the gene at C17.
C17에서 유전자에 의해 나타나는 공정들이(도 2C) PGC1a-상호작용하는 TFs에 의해 조절되는지 여부를 확인하기 위해, C17에서 PGC1a-상호작용 TFs 및 이들의 타겟 유전자들을 이용하여 네트워크 모델을 구축하였다(도 5A). 상기 네트워크는 이러한 10개의 TFs가, OXPHOS를 포함하는, 미토콘드리아 공정 및 번역으로 분류된 C17 타겟 유전자들을 주로 조절함을 보여주었다.To ascertain whether the processes represented by the genes in C17 were regulated by PGC1a-interacting TFs (Fig. 2C), a network model was constructed using PGC1a-interacting TFs and their target genes in C17 5A). The network showed that these 10 TFs mainly regulate C17 target genes classified as mitochondrial processes and translations, including OXPHOS.
10 PGC1a-상호작용 TFs 중에서, C17의 유전자인 RXRA를 코딩하는 유전자들만이 mt3243 변이의 존재에서 감소된 발현을 보여주었다. 리간드-자극된 RXRA이 타겟 유전자들의 프로모터에서 RA 반응 요소들에 대한 PGC1a를 선택하고, 공활성자(coactivator)로서 PGC1a는 RXRA의 전사적 활성을 촉진시키는 기능을 한다. 9-시스-RA는 미토콘드리아-관련 유전자들의 발현을 유도한다. Of the 10 PGC1a-interacting TFs, only genes encoding RXRA, the C17 gene, showed reduced expression in the presence of the mt3243 mutation. Ligand-stimulated RXRA selects PGC1a for the RA response elements in the promoter of the target genes, and PGC1a as a coactivator functions to promote the transcriptional activity of RXRA. 9-cis-RA induces the expression of mitochondrial-associated genes.
따라서, 본 발명자들은 감소된 RXRA 양이 PGC1a의 모집을 감소시키고 이는 OXPHOS 유전자들의 발현 감소를 가져오고 미토콘드리아 기능 이상을 강화시킨다는 가설을 수립하였다(도 5B). Thus, we hypothesized that the reduced amount of RXRA reduced recruitment of PGC1a, leading to decreased expression of OXPHOS genes and enhanced mitochondrial dysfunction (FIG. 5B).
유전자 발현 데이터를 확인하기 위해, 네트워크 모델에서 19개 OXPHOS 유전자들 및 and 5개의 전사- 및 미토콘드리아 번역 관련 유전자에 대해 qRT-PCR(quantitative reverse transcriptase PCR) 분석을 실시하였다(도 5) 그리고 W세포와 비교하여, H 세포가 아닌 M 세포에서 이들의 mRNA 양이 감소함을 보여주었고, 이는 C17의 상이한 발현 패턴과 일치하였다.
To confirm the gene expression data, qRT-PCR (quantitative reverse transcriptase PCR) analysis was performed on 19 OXPHOS genes and 5 and transcription-and-mitochondrial translation related genes in the network model (Fig. 5) By comparison, it was shown that the amount of their mRNA was decreased in M cells that are not H cells, consistent with different expression patterns of C17.
실시예Example 5 : 5: RXRARXRA 의 증가하는 전사 활성에 의한 Of increased transcriptional activity OXPHOSOXPHOS 유전자들의 복구 Restoration of genes
감소된 RXRA 양이 OXPHOS 유전자발현 감소에 기여하는지 여부를 실험적으로 테스트하기 위해, M 세포에서 RXRA 의 단백질 양 및 mRNA 양이 감소함을 확인하였다 (도 6A). To experimentally test whether the reduced amount of RXRA contributes to the reduction of OXPHOS gene expression, it was confirmed that the amount of RXRA protein and the amount of mRNA decreased in M cells (Fig. 6A).
OXPHOS 유전자의mRNA 양 조절에 있어서 RXRA의 기능적 역할을 알아보기 위해, H 및 M 세포를 RA로 처리하여 O2 소비량 및 ATP 함량 모두가 mt3243 변이에 의해 감소되고(도 1 B 및 C), RA-처리된 H 및 M 세포에서 현저하게 복구됨을(도 6B) 발견하였다. 다만 O2 소비량의 복구는 미처리된 W 세포의 대조군의 경우까지 도달하지는 못하였다. 또한, 다수 OXPHOS 효소의 양은 W 세포에 근접할 정도로 복구되었다(도 6C).
To investigate the functional role of RXRA in the regulation of mRNA level of OXPHOS gene, treatment of H and M cells with RA reduced both O 2 consumption and ATP content by the mt3243 mutation (Fig. 1 B and C) Lt; RTI ID = 0.0 > (FIG. 6B). ≪ / RTI > However, recovery of O 2 consumption did not reach the control of untreated W cells. In addition, the amount of multiple OXPHOS enzymes was restored to close to W cells (Fig. 6C).
C17에서 mt3243 변이에 의해 M 세포에서 감소한 564 유전들에 대하여(도 2B), 163 유전자들은 M 세포의 RA 처리에 의해 mRNA 양이 회복되었다(FDR < 0.05) [도 7A 및 www.sciencesignaling.org/cgi/content/full/6/264/rs4/DC1 참조(table S8)]. 163 유전자들의 GO Biological Processes의 농축 분석은 이들이 OXPHOS, 미토콘드리아 이동, 및 산화적 스트레스 반응(P < 0.05)과 주로 관련함을 보여주었고(도 7B), 이는 C17에서 유전자들에 의해 나타나는 미토콘드리아 공정들 중에서 이러한 공정들이 복구됨을 의미한다(도 5A). For the 564 genes deduced in the M cells by the mt3243 mutation in C17 (FIG. 2B), the 163 genes recovered the mRNA level by the RA treatment of M cells (FDR <0.05) (Fig. 7A and www.sciencesignaling.org/) cgi / content / full / 6/264 / rs4 / DC1 reference (table S8)]. Concentration analysis of the GO Biological Processes of 163 genes showed that they were mainly associated with OXPHOS, mitochondrial translocation and oxidative stress response (P < 0.05) (Fig. 7B), suggesting that among mitochondrial processes expressed by genes in C17 Which means that these processes are restored (FIG. 5A).
C17에서 36 OXPHOS 유전자들 중에서, mRNA 양에서10개 유전자들이 복구되었다.Of the 36 OXPHOS genes at C17, 10 genes were recovered in the amount of mRNA.
OXPHOS 유전자들이 RXRA에 의해 조절됨을 입증하기 위해, W 세포에서 짧은 간섭 RNA (siRNA)로 RXRA를 녹다운시키고(도 8) 10 OXPHOS 유전자들의 mRNA의 양을 측정하였다. To demonstrate that OXPHOS genes are regulated by RXRA, RXRA was knocked down with short interfering RNA (siRNA) in W cells (Figure 8) and the amount of mRNA in 10 OXPHOS genes was measured.
10 유전자들의 mRNA 양은 RXRA의 녹다운에 의해 감소되었고, 이는 10 OXPHOS 유전자들이 RXRA에 의해 조절됨을 의미한다(도 7C). 그러므로, RXRA의 감소는 OXPHOS 유전자들의 mRNA 양의 감소에 기여하였다.
10 genes was reduced by RXRA knockdown, which means that 10 OXPHOS genes are regulated by RXRA (Figure 7C). Therefore, the reduction of RXRA contributed to the decrease of mRNA level of OXPHOS genes.
실시예Example 6 : 6: RXRARXRA -- PGC1aPGC1a 상호작용의 증가에 의한 Due to increased interaction OXPHOSOXPHOS 유전자 발현의 복구 Recovery of gene expression
RXRA의 감소가 RXRAPGC1a 복합체의 양을 감소시키고 OXPHOS 유전자의 발현을 저해하는지 여부를 알아보기 위하여, RXRA-PGC1a 상호작용의 유도가 OXPHOS 유전자의 mRNA 양을 복구하는지 여부를 실험하였다.To determine whether reduction of RXRA reduced the amount of RXRAPGC1a complex and inhibited the expression of OXPHOS gene, it was examined whether the induction of RXRA-PGC1a interaction restored the amount of mRNA of OXPHOS gene.
PLA(proximity ligation assay) 분석을 이용하여 RA 처리 후 시브리드 세포에서 RXRA-PGC1a 상호작용을 측정하였다 RXRA-PGC1a interactions were measured in the siblide cells after RA treatment using PLA (proximity ligation assay) analysis
M 세포에서, RA 처리는 핵에서 RXRA-PGC1a 상호작용을 현저히 증가시킨 반면(도 9), RA 처리는 W 또는 H 세포에서 상호작용의 양은 크게 변화시키지 않았고, 이는, C17에서 OXPHOS 유전자들의 mRNA 양이 H 세포에서 변화하지 않은 발견과 일치하였다(도 2B). 이는 변이에 의한 미토콘드리아 기능 이상의 센서로서 작용함을 의미한다. In M cells, RA treatment significantly increased RXRA-PGC1a interaction in the nucleus (Fig. 9), whereas RA treatment did not significantly change the amount of interaction in W or H cells, indicating that the mRNA level of OXPHOS genes at C17 Lt; / RTI > cells (Fig. 2B). This means that it acts as a sensor above the mitochondrial function by mutation.
RXRA-PGC1a 상호작용이 OXPHOS 유전자의 mRNA 양을 조절하는지 여부를 테스트하기 위해, M세포에서 siRNA를 이용하여 와일드 타입 RXRA 사일런싱 후 FK506 결합 단백질 (FKBP)-RXRA 및 FKBP-라파마이신 결합 도메인 (FRB) 융합 벡터로 M 세포를 트랜스펙션시켰다. FRB이 플라즈마 멤브레인에 위치화되었다. 라파마이신 처리는 FKBP-RXRA 및 FRB 사이의 상호작용을 유도하고 이에 의해, FKBP-RXRA가 플라즈마 멤브레인으로 이동하여 핵에서 FKBP-RXRA와 PGC1a 사이의 상호작용을 감소시킨다.FK506 binding protein (FKBP) -RXRA and FKBP-rapamycin binding domain (FRB) after wild type RXRA silencing using siRNA in M cells to test whether RXRA-PGC1a interaction regulates the amount of mRNA of OXPHOS gene ) M cells were transfected with the fusion vector. The FRB was positioned in the plasma membrane. Rapamycin treatment induces an interaction between FKBP-RXRA and FRB, whereby FKBP-RXRA migrates to the plasma membrane and reduces the interaction between FKBP-RXRA and PGC1a at the nucleus.
FKBP-RXRA 및 PGC1a사이의 상호작용이 라파마이신 처리에 의해 감소하면, RA 처리는 M세포에서 OXPHOS 유전자의 mRNA 양을 복구를 저해한다(도 10). RA-유도된 상호작용 데이터 및 시퀘스트레이션 데이터(sequestration data)는 RA 처리가 RXRA-PGC1a 복합체 증가 및 M세포에서 OXPHOS 유전자 발현의 복구에 기여한다는 모델과 일치하였다.
When the interaction between FKBP-RXRA and PGC1a is reduced by rapamycin treatment, RA treatment inhibits the recovery of the amount of mRNA of the OXPHOS gene in M cells (Fig. 10). RA-derived interaction data and sequestration data were consistent with a model in which RA treatment contributes to RXRA-PGC1a complex increase and recovery of OXPHOS gene expression in M cells.
실시예Example 7 : 7: ROSROS 에 의해 활성화된 Activated by JNKJNK 를 통한 Through RXRARXRA 의 of mRNAmRNA 양의 음성적 조절 Positive phonological regulation
상기 데이터들은 RXRA의 감소가 OXPHOS 유전자들의 mRNA 양을 감소시킴을 의미한다. 미토콘드리아 기능 이상에 의해 개시되는 다양한 미토콘드리아 역행성 신호 경로들은 Ca2+, ROS, 및 AMP에서의 변화를 포함한다. 이러한 매개자들 중에서, ROS는 신생 랫트 심장근육세포들에서 RXRA의 mRNA 및 단백질 양 모두를 감소시킨다. These data indicate that a decrease in RXRA reduces the amount of mRNA of OXPHOS genes. Various mitochondrial retrograde signaling pathways initiated by mitochondrial dysfunction include changes in Ca2 +, ROS, and AMP. Among these mediators, ROS reduces both mRNA and protein levels of RXRA in neonatal rat cardiac myocytes.
따라서, 본 발명자들은 시브리드 세포의 3가지 타입에서 ROS의 양을 측정하였다. ROS의 상대적인 양은 H 및 M 세포에서 증가하였다(도 11A). 증가된 ROS가 RXRA의 양을 감소시키는지 여부를 결정하기 위해, 시브리드 세포를 세포에서 ROS 양을 감소시키는 아스코르브산, 산화제로 처리한 후 RXRA의 mRNA 및 단백질 양을 측정하였다(도 11B). M 세포에서, RXRA의 mRNA 및 단백질 양 모두 복구되었고, 단백질 양은 대조군 W 세포의 경우를 초과하였다. 이는 증가된 ROS가 RXRA 양을 감소시키는데 기여함을 의미한다. Thus, we measured the amount of ROS in three types of Sibrid cells. Relative amounts of ROS were increased in H and M cells (Figure 11A). To determine whether increased ROS reduced the amount of RXRA, the amount of mRNA and protein of RXRA was measured after treating the cells with ascorbic acid, an oxidizing agent that reduces the amount of ROS in the cells (Fig. 11B). In M cells, both mRNA and protein amounts of RXRA were restored and the amount of protein exceeded that of control W cells. This means that increased ROS contributes to reducing the amount of RXRA.
대조적으로, RXRA 단백질의 양에서 W세포와 큰 차이를 가지지 않는 H 세포에서는(도 6A 및 도 11B), 아스코르브산 처리의 반응에 있어서 RXRA mRNA 양 변화에서 유의미한 변화를 나타내지 않았다 (도 11B 및 도 12A). 이는 RXRA 양에 영항을 주는 ROS의 한계 양이 존재할 수도 있음을 시사한다(도 11B).In contrast, in H cells that did not differ significantly from the W cells in the amount of RXRA protein (Fig. 6A and Fig. 11B), there was no significant change in the amount of RXRA mRNA in the reaction of ascorbic acid treatment (Figs. 11B and 12A ). This suggests that there may be a limit amount of ROS that affects the amount of RXRA (FIG. 11B).
신생 래트 심장근육세포에서, ROS에 의한 RXRA 양의 감소는 JNK를 포함하는 경로에 의해 매개된다. 그러므로, RXRA 양에서 JNK 저해제, SP600125 (anthrapyrazolone)의 영향을 조사하였다.In neonatal rat cardiac myocytes, the decrease in RXRA amount by ROS is mediated by a pathway involving JNK. Therefore, the effect of the JNK inhibitor, SP600125 (anthrapyrazolone), on the amount of RXRA was investigated.
M 세포에서, JNK 활성의 저해는 대조군 W 세포에서의 양에 대해 RXRA의 mRNA 양을 복구하고 RXRA 단백질의 양을 증가시켰다. 이는 JNK 활성이 RXRA 양의 감소에 기여함을 의미한다(도 11C 및 도 12B). 항산화제의 효과의 결핍과 일치하여, JNK 활성의 저해는 H 세포에서 RXRA mRNA 또는 단백질 양을 변화시키지 않았다. RXRA의 감소에서 동일한 경로에 참여하는 ROS 및 JNK와 일치하여, ROS 과산화수소에 노출된 W 세포는 감소된 RXRA 전사 및 단백질 양을 보여주었고, 이러한 감소는 JNK 활성의 저해에 의해 부분적으로 완화되었다(도 12C).In M cells, inhibition of JNK activity restored the amount of RXRA mRNA relative to the amount in control W cells and increased the amount of RXRA protein. This means that JNK activity contributes to the reduction of the amount of RXRA (FIG. 11C and FIG. 12B). Consistent with the lack of effect of antioxidants, inhibition of JNK activity did not alter the amount of RXRA mRNA or protein in H cells. Consistent with ROS and JNK participating in the same pathway in the reduction of RXRA, W cells exposed to ROS hydrogen peroxide showed reduced amounts of RXRA transcription and protein, and this reduction was partially alleviated by inhibition of JNK activity 12C).
미토콘드리아 독성에 의한 OXPHOS 이상이 RXRA 양을 감소시키고 ROS 및 JNK의 경로를 포함하는지 여부를 알아보기 위해, OXPHOS 이상을 야기하는, 각각 OXPHOS 복합체 I, III, 및 V의 활성을 방해하는 3가지 OXPHOS 저해제- 로테논(rotenone), 안티마이신(antimycin) A, 또는 올리고마이신(oligomycin) 중 하나로 W 세포를 처리하였다. Three OXPHOS inhibitors that interfere with the activity of OXPHOS complexes I, III, and V, respectively, that cause OXPHOS anomalies to determine if OXPHOS anomalies due to mitochondrial toxicity reduce the amount of RXRA and include the pathway of ROS and JNK - W cells were treated with either rotenone, antimycin A, or oligomycin.
OXPHOS 저해제에 W 세포를 노출시키는 것은 RXRA mRNA의 현저한 감소를 가져오고 단백질 양을 감소시킨다. 이러한 효과는 아스코르브산에 의해 ROS 또는 JNK 저해제를 감소시키는 것을 방지한다(도 13A 및 도 12 D). 그러므로 이러한 데이터들은 RXRA의 mRNA 양이 ROS에 의해 활성화된 JNK에 의해 음성적으로 조절됨을 의미하고, 이는 mt3243 변이 또는 OXPHOS 저해제의 첨가의 존재에 따른 미토콘드리아 기능 이상에 의해 유도됨을 시사한다.
Exposing W cells to the OXPHOS inhibitor results in a marked reduction of RXRA mRNA and decreases the amount of protein. This effect prevents the reduction of ROS or JNK inhibitors by ascorbic acid (Figs. 13A and 12D). Therefore, these data indicate that the amount of RXRA mRNA is negatively regulated by ROS-activated JNK, suggesting that it is induced by mitochondrial dysfunction due to the presence of the mt3243 mutation or the addition of an OXPHOS inhibitor.
실시예Example 8 : 8 : RXRARXRA 역행성 신호 경로에 의한 번역-관련 유전자의 조절 Regulation of translation-related genes by retrograde signaling pathways
번역으로 분류된 공정들은 mt3243 변이의 존재에 의해 영향을 받는 경우들이다(도 2C). 2404 DEGs 중에서, 92 유전자들은 번역에 포함되는 것으로 분류된다.Processes classified as translations are cases affected by the presence of the mt3243 mutation (Figure 2C). Of the 2404 DEGs, 92 genes are classified as being involved in translation.
0:not changed,
-1:decreased mRNA abundance1: increased mRNA abundance,
0: not changed,
-1: decreased mRNA abundance
H / W
IDEntrez
ID
/ WH
/ W
/WM
/ W
/HM
/ H
92 번역관련유전자들 중에서, 44는 C17에 포함되고 M 세포에서 발현이 감소되었다 (도 2B). 네트워크 모델(도 5A)은 번역이 또한 RXRA-PGC1a 복합체에 의해 조절됨을 보여주었다. RA-처리된 M 세포에서 유전자 발현 분석은 C17에서 44 번역 관련 유전자들 중에서 13 유전자들이 RA 처리에 의해 mRNA 양에서 복구됨을 보여주었다(도 7B). Of the 92 translation related genes, 44 was included in C17 and expression was decreased in M cells (Fig. 2B). The network model (Figure 5A) showed that translation was also regulated by the RXRA-PGC1a complex. Gene expression analysis in RA-treated M cells showed that 13 of the 44 translation-related genes at C17 were restored at the mRNA level by RA treatment (Fig. 7B).
유전자 발현 데이터를 확인하기 위해, 13 유전자들로부터 5개 유전자들을 선별하여, FKBP-RXRA 및 FRB를 발현하는 세포로 라파마이신-유도된 시퀘스트레이션 분석에서 RA에 의한 이러한 유전자들의 유도가 방지됨이 나타났고, 이는 RXRA-PGC1a 상호작용이 RA-매개된 발현에 요구됨을 의미한다(도 13B). 그러므로 이러한 모든 데이터들은, OXPHOS 유전자에 더하여, RXRA-PGC1a이 시토졸 및 미토콘드리아 번역에 관여하는 핵-코딩된 유전자들을 조절하는 모델과 일치하였다. 그리고 이는 JNK의 ROS-매개된 활성을 포함하는 mt3243 변이의 존재에 따른 미토콘드리아 기능 이상에 반응하여 활성화된 경로에 의해 매개되었다(도 14). In order to identify gene expression data, five genes from 13 genes were selected to prevent the induction of these genes by RA in rapamycin-induced screening assays for FKBP-RXRA and FRB expressing cells , Indicating that RXRA-PGC1a interaction is required for RA-mediated expression (Figure 13B). Therefore, all of these data were consistent with a model in which, in addition to the OXPHOS gene, RXRA-PGC1a modulates nuclear-coded genes involved in cytosol and mitochondrial translation. And this was mediated by an activated pathway in response to mitochondrial dysfunction associated with the presence of the mt3243 mutation, including ROS-mediated activity of JNK (Figure 14).
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.The present invention has been described with reference to the preferred embodiments. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than by the foregoing description, and all differences within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the present invention.
Claims (14)
상기 미토콘드리아 기능 이상은 미토콘드리아 DNA의 3243 위치에서의 염기서열 A에서 G로의 돌연변이(mt3243)에 의해 유발되는 것을 특징으로 하고,
상기 미토콘드리아 기능 이상 관련 질환은, 비만, 인슐린저항증, 지방간, 간섬유화, 고혈압, 양극성 장애, 동맥경화증, 간질환, 심혈관질환 및 치매로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 질환인 것을 특징으로 하는 약학적 조성물.A composition for preventing and treating a mitochondrial dysfunction-related disorder, which comprises retinoic acid (RA) as an active ingredient as an expression or activity promoter of RXRα,
Characterized in that the mitochondrial dysfunction is caused by a mutation (mt3243) from the nucleotide sequence A to G at position 3243 of mitochondrial DNA,
Wherein said mitochondrial dysfunctional disorder is any disease selected from the group consisting of obesity, insulin resistance, fatty liver, liver fibrosis, hypertension, bipolar disorder, arteriosclerosis, liver disease, cardiovascular disease and dementia A pharmaceutical composition.
상기 RXRα는 미토콘드리아에서 PGC1a (peroxisome proliferator-activated receptor g, coactivator 1 a) 전사인자와 상호작용함을 특징으로 하는 약학적 조성물.The method according to claim 1,
Wherein the RXRa interacts with a transcription factor (PGC1a) (peroxisome proliferator-activated receptor, coactivator 1 a) in mitochondria.
상기 RXRα 발현 또는 활성 촉진은 레티놀 산(retinoic acid, RA)을 처리하여 수행하는 것을 특징으로 하고,
상기 RXRα의 발현 또는 활성 촉진은 RXRα-PGC1a 사이의 상호작용을 증가시키는 것을 특징으로 하고,
상기 미토콘드리아 기능 이상 관련 질환은, 비만, 인슐린저항증, 지방간, 간섬유화, 고혈압, 양극성 장애, 동맥경화증, 간질환, 심혈관질환 및 치매로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 질환인 것을 특징으로 하는 는 방법(단, 인간의 미토콘드리아는 제외함).A method for restoring a mitochondrial dysfunction-related disorder through promotion of expression or activity of RXR [alpha]
The expression or activity promotion of RXR [alpha] is performed by treating retinoic acid (RA)
The expression or activation promotion of RXR [alpha] is characterized by increasing the interaction between RXR [alpha] -PGC1a,
Wherein said mitochondrial dysfunctional disorder is any disease selected from the group consisting of obesity, insulin resistance, fatty liver, liver fibrosis, hypertension, bipolar disorder, arteriosclerosis, liver disease, cardiovascular disease and dementia (Except for the human mitochondria).
상기 RXRα-PGC1a 사이의 상호작용 증가는 산화적 인산화 및 번역 관련 유전자의 발현을 촉진시키는 것을 특징으로 하는 방법.8. The method of claim 7,
Wherein the increased interaction between RXR [alpha] -GC1a promotes the expression of oxidative phosphorylation and translation related genes.
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