KR102121417B1 - Stat3 활성화제를 이용한 골격근세포 분화 유도용 조성물 및 이를 이용한 골격근세포 분화 유도 방법 - Google Patents

Stat3 활성화제를 이용한 골격근세포 분화 유도용 조성물 및 이를 이용한 골격근세포 분화 유도 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 STAT3(signal transducers and activators of transcription protein 3) 활성화제를 이용한 골격근세포 분화 유도용 조성물 및 이를 이용한 골격근세포 분화 유도 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명에 따라 STAT3 활성화제인 콜리벨린(colivelin)을 함유하는 골격근 세포 분화 배양액을 이용해 지방 조직 유래 줄기세포(ADSCs)를 골격근 세포로 분화시키면, 단기간 내에 골격근 분화 마커 유전자 및 단백질의 발현, 및 근관(myotube)의 형성이 증가함을 확인함으로써, 상기 세포 분화 배양액은 중간엽 줄기세포로부터 골격근 세포를 분화시키는 데 유용하게 사용할 수 있다.

Description

STAT3 활성화제를 이용한 골격근세포 분화 유도용 조성물 및 이를 이용한 골격근세포 분화 유도 방법{Composition for inducing differentiation of skeletal muscle cell using STAT3 activator and method for inducing differentiation using the same}
본 발명은 STAT3(signal transducers and activators of transcription protein 3) 활성화제를 이용한 골격근세포 분화 유도용 조성물 및 이를 이용한 골격근세포 분화 유도 방법에 관한 것이다.
근육감소증(sarcopenia), 악액질(cachexia), 및 근위축(muscle atrophy)과 같은 근육 손실 질병은 고령 인구와 만성 질환 환자에서 유병률이 높으나, 아직까지 명확한 해결책이 없는 실정이다. 골격근 섬유(skeletal muscle fiber)의 항상성은 위성세포(satellite cell)의 지속적인 재생 및 활성화에 의해 유지되는데, 위성세포는 근육 특이적인 줄기세포로서 근원세포(myoblast)로 분화되어 근관(myotube)을 형성함으로써 손상된 근섬유를 대체한다. 따라서, 골격근 줄기세포 또는 전구세포(progenitor cell)의 이식은 근육 손실 질병을 치료하기 위한 잠재적인 방법으로 각광받고 있다.
중간엽 줄기세포(mesenchymal stem cells)는 성체 줄기세포의 하나로서, 중간엽에서 분화된 연골, 골조직, 지방조직, 골수의 기질 등에 존재하는 줄기세포를 의미한다. 중간엽 줄기세포는 배아 줄기세포를 이용한 세포 치료에서 나타나는 암화 문제, 윤리적인 문제에서 자유롭고, 지방세포, 골세포, 연골세포, 심장세포, 근육세포 및 신경세포 등 다양한 세포로의 분화가 가능하며, 이식 후 면역반응을 유발하지 않기 때문에 세포 치료를 위한 효과적인 수단으로 이용되고 있다. 특히, 지방 조직은 다른 조직보다 분리하기 쉬워 중간엽 줄기세포의 좋은 공급원이 된다. 이러한 중간엽 줄기세포는 하이드로코르티손(hydrocortisone) 또는 덱사메타손(dexamethasone)과 같은 스테로이드 처리에 의해 골격근세포로 분화가 유도될 수 있다(Gang, E.J. et al., Stem Cells 2004, 22:617-624). 특히, 지방 조직 유래 줄기세포(adipose tissue-derived stem cells, ADSCs)를 골격근세포로 유도하기 위해, 소태아혈청(Fetal bovine serum, FBS), 말혈청(Horse serum, HS), 및 하이드로코르티손으로 구성된 분화 배지가 사용되고 있으나(Zuk, P.A. et al., Mol. Biol. Cell 2002, 13:4279-4295), 기존 분화 배지를 사용할 경우, ADSCs가 골격근세포로 분화되기까지 6주 정도의 긴 시간이 소요된다는 단점이 있다.
한편, STAT3(signal transducers and activators of transcription protein 3)는 인간 유전자의 전사에 관여하는 전사조절인자로서, 활성화에 의해 인산화되는 C-말단에 critical tyrosine과 serine 잔기(Tyrosine 705, Serine 727 residues for STAT3)를 가지고 있다. 활성화된 두개의 STAT3는 SH2 도메인간의 상호결합에 의해 하나의 이합체(dimer)를 형성하여 핵 내로 이동하고, 전사인자로써 표적 유전자의 프로모터 유전자에 직접 결합한다. STAT3는 외부 사이토카인(cytokine), 성장 요소들에 의한 신호전달에 반응하고, 세포질에 존재하던 STAT3가 핵 안으로 이동해 세포의 발달, 분화, 생장, 생존, 신생혈관합성, 면역기능 등을 조절하는데, 특히, STAT3는 배아 발달 단계에 필수적이며, TH17 세포와 같은 배아줄기세포의 분화를 조절하는 것으로 보고되었다(Sen S. et al., J Immunol 2018, 201(2):440-450).
본 발명의 목적은 STAT3 활성화제의 골격근세포 분화 유도 용도를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 중간엽 줄기세포를 STAT3 활성화제가 포함된 배지에서 배양하는 단계를 포함하는 중간엽 줄기세포로부터 골격근세포(skeletal muscle cell) 분화 유도 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 STAT3 활성화제를 유효성분으로 함유하는 중간엽 줄기세포로부터 골격근세포 분화 유도용 조성물을 제공한다.
본 발명에 따라 STAT3 활성화제인 콜리벨린(colivelin)을 함유하는 골격근 세포 분화 배양액을 이용해 지방 조직 유래 줄기세포(ADSCs)를 골격근 세포로 분화시키면, 단기간 내에 골격근 분화 마커 유전자 및 단백질의 발현, 및 근관(myotube)의 형성이 증가함을 확인함으로써, 상기 세포 분화 배양액은 중간엽 줄기세포로부터 골격근 세포를 분화시키는 데 유용하게 사용할 수 있다.
도 1은 기존 배지에 첨가된 콜리벨린의 농도에 따른 MyoG(myogenin) 유전자의 발현량을 확인한 도이다.
도 2는 기존 배지에 첨가된 콜리벨린의 농도에 따른 MYH(myosin heavy chain) 유전자의 발현량을 확인한 도이다.
도 3은 기존 배지에 첨가된 콜리벨린의 농도에 따른 골격근세포의 근관 형성을 관찰한 도이다.
도 4는 50 nM의 콜리벨린을 첨가한 배지에서 배양된 골격근세포에서 배양 기간에 따른 MyoD 유전자의 발현량을 확인한 도이다.
도 5는 50 nM의 콜리벨린을 첨가한 배지에서 배양된 골격근세포에서 배양 기간에 따른 MyoG 유전자의 발현량을 확인한 도이다.
도 6은 50 nM의 콜리벨린을 첨가한 배지에서 배양된 골격근세포에서 배양 기간에 따른 MHY 유전자의 발현량을 확인한 도이다.
도 7은 50 nM의 콜리벨린을 첨가한 배지에서 배양된 골격근세포에서 배양 기간에 따른 MHY 단백질 및 인산화된 STAT3(p-stat3) 단백질의 발현량을 확인한 도이다.
도 8은 50 nM의 콜리벨린을 첨가한 배지에서 배양된 골격근세포의 근관 형성을 관찰한 도이다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 중간엽 줄기세포를 STAT3 활성화제가 포함된 배지에서 배양하는 단계를 포함하는 중간엽 줄기세포로부터 골격근세포 분화 유도 방법을 제공한다.
상기 STAT3 활성화제는 콜리벨린(colivelin), 인터루킨 6(interleukin 6, IL-6) 또는 룩소리티닙 포스페이트(ruxolitinib phosphate)일 수 있으나, 이에 제한되지 않고, 공지의 STAT3 활성화제는 모두 사용될 수 있다.
상기 STAT3 활성화제는 배지에 20 내지 100 nM, 25 내지 90 nM, 30 내지 80 nM, 35 내지 70 nM, 40 내지 60 nM, 45 내지 55 nM, 20 내지 90 nM, 20 내지 80 nM, 20 내지 70 nM, 20 내지 60 nM, 30 내지 100 nM, 또는 40 내지 100 nM의 농도로 포함될 수 있고, 구체적으로 45 내지 55 nM의 농도로 포함될 수 있다. STAT3 활성화제가 조성물에 20 nM 보다 낮은 농도, 또는 100 nM 보다 높은 농도로 포함될 경우, 중간엽 줄기세포가 골격근세포로 분화되는 데 장시간이 소요될 수 있다.
상기 배지는 특별히 제한되지 않고, 줄기세포의 배양에 통상적으로 이용되는 배지를 사용할 수 있다.
상기 중간엽 줄기세포는 골수, 지방조직, 제대혈(cord blood), 말초혈, 신생아 조직(neonatal tissues), 태반 등의 다양한 성체 조직 및 골수 유래 세포에서 유래될 수 있고, 구체적으로 인간 지방 조직으로부터 유래된 것일 수 있다.
또한, 본 발명은 STAT3 활성화제를 유효성분으로 함유하는 중간엽 줄기세포로부터 골격근세포 분화 유도용 조성물을 제공한다.
상기 STAT3 활성화제는 콜리벨린, IL-6 또는 룩소리티닙 포스페이트일 수 있으나, 이에 제한되지 않고, 공지의 STAT3 활성화제는 모두 사용될 수 있다.
상기 STAT3 활성화제는 조성물에 20 내지 100 nM, 25 내지 90 nM, 30 내지 80 nM, 35 내지 70 nM, 40 내지 60 nM, 45 내지 55 nM, 20 내지 90 nM, 20 내지 80 nM, 20 내지 70 nM, 20 내지 60 nM, 30 내지 100 nM, 또는 40 내지 100 nM의 농도로 포함될 수 있고, 구체적으로 45 내지 55 nM의 농도로 포함될 수 있다. STAT3 활성화제가 조성물에 20 nM 보다 낮은 농도, 또는 100 nM 보다 높은 농도로 포함될 경우, 중간엽 줄기세포가 골격근세포로 분화되는 데 장시간이 소요될 수 있다.
상기 중간엽 줄기세포는 골수, 지방조직, 제대혈, 말초혈, 신생아 조직, 태반 등의 다양한 성체 조직 및 골수 유래 세포에서 유래될 수 있고, 구체적으로 인간 지방 조직으로부터 유래된 것일 수 있다.
본 발명의 구체적인 실시예에서, 본 발명자들은 기존에 공지된 골격근세포 분화 배지인 FBS(fetal bovine serum), HS(horse serum), 및 하이드로코르티손(hydrocortisone)을 첨가한 DEME 배지에 STAT3 활성화제인 콜리벨린을 첨가하여 인간 지방 조직 유래 줄기세포(human adipose tissue-derived stem cells, hADSCs)를 골격근 세포로 분화시킨 후, 첨가된 콜리벨린 농도에 따른 골격근 분화 마커 유전자의 발현(도 1 및 2 참조) 및 골격근세포의 근관 형성 정도(도 3 참조)를 확인한 결과, 50 nM의 콜리벨린을 첨가했을 때 분화가 가장 효율적으로 이루어짐을 확인하였다. 또한, 50 nM의 콜리벨린을 첨가하고 배양 기간에 따른 골격근 분화 마커 유전자의 발현(도 4 내지 6 참조), 골격근 분화 마커 단백질의 발현(도 7 참조), 및 골격근세포의 근관 형성 정도(도 8 참조)를 비교한 결과, 4주 정도의 단기간 내에 골격근세포로 분화됨을 확인하였다.
따라서, 본 발명의 STAT3 활성화제는 중간엽 줄기세포를 골격근세포로 효율적으로 분화시키고, 분화 기간을 단축시키는데 유용하게 사용될 수 있다.
이하 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해서 한정되는 것은 아니다.
실시예 1. 지방 조직 유래 줄기세포(adipose tissue-derived stem cells, ADSCs)로부터 골격근세포(skeletal muscle cell) 분화 유도
1-1. 기존 배지를 이용한 분화 유도
계대배양된 3 내지 6세대의 인간 지방 조직 유래 줄기세포(human ADSCs, hADSCs, R7788-110, Invitrogen)를 6 웰-플레이트(well-plate)에 0.5 × 103 개/cm2로 분주하여, 10%의 FBS(fetal bovine serum, WelGENE)를 첨가한 DMEM(WelGENE) 배지에서 배양하였다. 1일 후, 10%의 FBS, 5%의 HS(horse serum, Life Technologies), 및 50 μM의 하이드로코르티손(hydrocortisone, Sigma)을 포함한 분화 배지(DMEM, WelGENE)에서 4주 동안 배양하여 hADSCs로부터 골격근세포로의 분화를 유도하였다.
1-2. STAT3 활성화제를 이용한 분화 유도
분화 배지에 STAT3 활성화제인 콜리벨린(colivelin, Cat. #. 3945, Tocris)을 5, 10, 20, 50, 100, 200 또는 500 nM의 농도로 더 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 배양하여, hADSCs로부터 골격근세포로의 분화를 유도하였다.
실험예 1. 콜리벨린 농도에 따른 골격근세포 분화
콜리벨린의 농도에 따른 hADSCs로부터 골격근세포로의 분화 정도를 확인하였다.
1-1. 콜리벨린 첨가 농도에 따른 골격근 분화 마커 유전자의 발현
콜리벨린이 첨가된 배지에서 분화된 골격근세포에서 골격근 분화 마커 유전자의 발현이 증가하는지 확인하였다.
실시예 1-1 또는 1-2에서 수득한 골격근세포로부터 TRIZOL(Invitrogen) 시약을 이용하여, 제조사의 프로토콜에 따라 total RNA를 추출하였다. PrimeScript 1st strand cDNA 합성 키트(Takara Bio Inc.)를 이용해 추출한 RNA로부터 제조사의 프로토콜에 따라 cDNA를 합성한 뒤, SYBR Premix Ex Taq II, ROX plus(Takara Bio Inc.) 및 Prism 7900HT sequence detection system (Applied Biosystems)을 이용해 qRT-PCR(Quantitative Real-Time-PCR)을 수행하였다. 실험에 사용한 프라이머 서열은 하기 표 1과 같다.
프라이머 명칭 서열(5'→3') 서열번호
human 18s ribosomal RNA forward GCCGCTAGAGGTGAAATTCTTG 1
human 18s ribosomal RNA reverse CATTCTTGGCAAATGCTTTCG 2
human MyoG forward GATCATCTGCTCACGGCTGA 3
human MyoG reverse CCCGGCTTGGAAGACAATCT 4
human MYH forward TAAGGTCGCATCTCTACGCC 5
human MYH reverse AAGGCTTGTTCTGGGCTTCA 6
그 결과, 도 1에 나타낸 바와 같이, 골격근 분화의 중간과정인 다핵세포의 마커인 MyoG(myogenin) 유전자는 10 nM의 콜리벨린을 첨가했을 때 유의적으로 증가하였고, 100 nM까지 비슷한 수준을 유지하나, 200 nM 이상에서 농도 의존적으로 더 증가하였다. 또한, 도 2에 나타낸 바와 같이, 골격근 분화의 최종 마커인 MYH(myosin heavy chain) 유전자는 50 nM의 콜리벨린을 첨가했을 때까지 농도 의존적으로 증가하였으나, 이후 농도 의존적으로 감소하였다.
1-2. 콜리벨린 첨가 농도에 따른 근관 형성
콜리벨린이 첨가된 배지에서 분화된 골격근세포가 근관(myotube)을 잘 형성하는지 확인하였다. 구체적으로, 실시예 1-1 또는 1-2로부터 분화된 골격근세포를 현미경으로 관찰하였다.
그 결과, 도 3에 나타낸 바와 같이, 형성된 근관의 수는 50 nM의 콜리벨린을 첨가했을 때까지 농도 의존적으로 증가하였으나, 이후 농도 의존적으로 감소하였다.
상기 실험예 1-1 및 1-2의 결과는 농도 의존적인 MyoG 유전자의 발현 증가로부터 콜리벨린 처리에 따라 분화 효율이 증가되지만 최종적인 분화는 콜리벨린의 50 nM 농도에서 효율적으로 일어남을 제시한다.
실험예 2. 콜리벨린 첨가에 따른 골격근세포 분화 촉진
실험예 1의 결과에 기초하여 50 nM의 콜리벨린 첨가에 의해 hADSCs로부터 골격근세포 분화가 촉진되는지 확인하였다.
2-1. 콜리벨린 첨가에 따른 골격근 분화 마커 유전자의 발현
인간 지방 조직 유래 줄기세포를 50 nM의 콜리벨린이 첨가된 배지에서 배양하여 분화를 유도한 후, 골격근 분화 마커 유전자의 발현이 증가하는지 확인하였다.
구체적으로 인간 지방 조직 유래 줄기세포를 0.5 × 103 개/cm2의 밀도로 6 웰-플레이트에 분주하고, 10%의 FBS를 첨가한 DMEM 배지에서 배양하였다. 1일 후 10% FBS, 5% HS, 50 μM 하이드로코르티손 및 50 nM의 콜리벨린을 포함한 분화 배지로 교체하고 추가 배양, 1, 2, 3, 4, 5, 7, 14, 21 또는 28일째에 세포를 수득하여, 실험예 1-1과 동일한 방법으로 qRT-PCR을 수행하였다. 실험에 사용한 프라이머 서열은 하기 표 2와 같다.
프라이머 명칭 서열(5'→3') 서열번호
human 18s ribosomal RNA forward GCCGCTAGAGGTGAAATTCTTG 1
human 18s ribosomal RNA reverse CATTCTTGGCAAATGCTTTCG 2
human MyoD forward CCAGAGCTGAACCTTGAGGG 7
human MyoD reverse ACCTGCTACATTTGGGACCG 8
human MyoG forward GATCATCTGCTCACGGCTGA 3
human MyoG reverse CCCGGCTTGGAAGACAATCT 4
human MYH forward TAAGGTCGCATCTCTACGCC 5
human MYH reverse AAGGCTTGTTCTGGGCTTCA 6
그 결과, 도 4 내지 6에 나타낸 바와 같이, 50 nM의 콜리벨린이 첨가된 배지에서 분화된 골격근 세포에서 골격근 분화 마커 유전자인 MyoD, MyoG, 및 MYH의 발현이 유의적으로 증가하였다.
2-2. 콜리벨린 첨가에 따른 골격근 분화 마커 단백질의 발현
인간 지방 조직 유래 줄기세포를 50 nM의 콜리벨린이 첨가된 배지에서 배양하여 분화를 유도한 후, 골격근 분화 마커 단백질의 발현 정도를 확인하였다.
상기 실험예 2-1과 동일하게 세포를 배양하여 콜리벨린을 처리한 후, 7, 14, 21 또는 28일째에 세포를 수득하였다. 수득한 세포로부터 프로테아제 및 포스파타제 억제제 칵테일(protease and phosphatase inhibitor cocktail, Cat. #. P8340, P5726, P0044, Sigma-Aldrich)을 함유하는 단백질 추출 버퍼(GE Healthcare)를 이용하여 제조사의 프로토콜에 따라 단백질을 추출한 후 SDS-PAGE로 웨스턴 블롯(Western blot)을 수행하였다. 1차 항체로는 항-MYH 항체(Cat. #. SC-20641, Santa Cruz Biotechnology) 및 항-p-stat3 항체(Cat. #. SC-27993, Santa Cruz Biotechnology)를, 2차 항체로는 horseradish peroxidase-conjugated 항체(Cat. #. SC-2004, SC-2020, Santa Cruz Biotechnology)를 사용하였다.
그 결과, 도 7에 나타낸 바와 같이, 50 nM의 콜리벨린이 첨가된 배지에서 분화 유도된 세포에서, 골격근 분화 마커 단백질인 MYH의 발현 및 STAT3의 활성화 정도를 나타내는 인산화된 STAT3(p-stat3)의 발현이 유의적으로 증가하였다.
2-3. 콜리벨린 첨가에 따른 근관 형성
50 nM의 콜리벨린이 첨가된 배지에서 분화된 골격근세포가 근관을 잘 형성하는지 확인하였다. 구체적으로, 실시예 1-1 또는 1-2에서 50 nM의 콜리벨린을 첨가해 4주 동안 분화를 유도한 세포를 현미경으로 관찰하였다.
그 결과, 도 8에 나타낸 바와 같이, 50 nM의 콜리벨린이 첨가된 배지에서 분화된 세포는 근관을 더 많이 형성하였다.
상기 결과는, 콜리벨린은 골격근세포로의 분화를 촉진하여 분화 기간을 4주로 단축시킬 수 있음을 보여준다.
<110> Gachon University of Industry-Academic cooperation Foundation GIL MEDICAL CENTER <120> Composition for inducing differentiation of skeletal muscle cell using STAT3 activator and method for inducing differentiation using the same <130> 2018P-09-005 <160> 8 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 22 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> human 18s ribosomal RNA forward <400> 1 gccgctagag gtgaaattct tg 22 <210> 2 <211> 21 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> human 18s ribosomal RNA reverse <400> 2 cattcttggc aaatgctttc g 21 <210> 3 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> human MyoG forward <400> 3 gatcatctgc tcacggctga 20 <210> 4 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> human MyoG reverse <400> 4 cccggcttgg aagacaatct 20 <210> 5 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> human MYH forward <400> 5 taaggtcgca tctctacgcc 20 <210> 6 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> human MYH reverse <400> 6 aaggcttgtt ctgggcttca 20 <210> 7 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> human MyoD forward <400> 7 ccagagctga accttgaggg 20 <210> 8 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> human MyoD reverse <400> 8 acctgctaca tttgggaccg 20

Claims (7)

  1. 중간엽 줄기세포(mesenchymal stem cells)를 STAT3(signal transducers and activators of transcription protein 3) 활성화제인 콜리베린(colivelin)이 포함된 배지에서 배양하는 단계를 포함하는 체외 배양(in vitro culture)으로 중간엽 줄기세포로부터 골격근세포(skeletal muscle cell) 분화 유도 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 중간엽 줄기세포는 인간 지방 조직으로부터 유래된 것인, 골격근세포 분화 유도 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 콜리베린은 배지에 45 내지 55 nM의 농도로 포함되는, 골격근세포 분화 유도 방법.
  5. STAT3 활성화제인 콜리베린을 유효성분으로 함유하는 중간엽 줄기세포로부터 골격근세포 분화 유도용 조성물.
  6. 삭제
  7. 제 5항에 있어서, 콜리베린은 45 내지 55 nM의 농도로 처리되는, 골격근세포 분화 유도용 조성물.
KR1020180119858A 2018-10-08 2018-10-08 Stat3 활성화제를 이용한 골격근세포 분화 유도용 조성물 및 이를 이용한 골격근세포 분화 유도 방법 KR102121417B1 (ko)

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