Disruption of WNT-LMX1A Regulatory Loop During Midbrain Dopaminergic Neuron Development in Human DNAJC6 Parkinson Disease Model

Abstract

Loss-of-function mutations of DNAJC6, encoding HSP40 auxilin, have recently been identified in patients with early-onset Parkinson’s disease (PD). To study the roles of DNAJC6 in PD pathogenesis, I used human embryonic stem cells with CRISPR-Cas9–mediated gene editing. Here, I show that DNAJC6 mutations cause key PD pathologic features, i.e., midbrain-type dopamine (mDA) neuron degeneration, pathologic α-synuclein aggregation, increase of intrinsic neuronal firing frequency, and mitochondrial and lysosomal dysfunctions in human midbrain-like organoids (hMLOs). In addition, neurodevelopmental defects were also manifested in hMLOs carrying the mutations. Transcriptomic analyses followed by experimental validation revealed that defects in DNAJC6-mediated endocytosis impair the WNT-LMX1A signal during the mDA neuron development. Furthermore, reduced LMX1A expression during development caused the generation of vulnerable mDA neurons with the pathologic manifestations. These results suggest that the human model of DNAJC6-PD recapitulates disease phenotypes and reveals mechanisms underlying disease pathology, providing a platform for assessing therapeutic interventions.|파킨슨병은 중뇌 도파민 신경세포의 퇴행에 의해 각종 운동 장애를 호소하는 뇌신경 퇴행성 질환이다. 중뇌 도파민신경세포 사멸을 유발하는 세포내 외 환경적 요소와 함께, 중뇌 발달장애도 파킨슨병의 발병기전이 될 수 있음이 시사되었다. DNAJC6는 heat shock protein 40 (HSP40) 계통 단백인 Auxilin 을 전사하는 유전자로서, Clathrin 매개 endocytosis등 vesicular trafficking작업에 관여한다. 유년기에 발생하는 파킨슨병 환자에서 DNAJC6유전자에 loss-of-function 돌연변이가 발견되어, DNAJC6는 최근에 파킨슨병 관련 유전자 (PARK19)로 분류되었으나, DNAJC6 기능 손실에 의한 파킨슨병 발병 기전은 지금까지 알려지지 않았다. 본 연구에서는 DNAJC6에 의한 파킨슨병 발병 기전을 규명하기 위해, 인간 배아줄기세포에 CRISPR-CAS9 유전자 에디팅 기법을 이용하여, 환자에서 발견된 DNAJC6 돌연변이를 도입한 세포주를 확립하고, 인간 중뇌 오르가노이드 및 인간 중뇌 도파민 신경세포로 분화가 유도된 인간 파킨슨병 in- vitro질환 모델을 구축하였다. 그 결과 DNAJC6 돌연변이가 도입된 중뇌 오르가노이드에서는 초기 발생단계부터 canonical WNT 신호기전의 이상과 함께 중뇌 발달의 이상이 초래되었으며, WNT 신호전달과정 이상에 의한 중뇌 발달 이상은 중뇌 도파민 신경세포 발달에 결정적인 전사 인자인 LMX1A, Engrailed-1 (EN1), NURR1 결손을 통해 발생됨이 관찰되었다. 또한 LMX1A, Engrailed-1 (EN1), NURR1 전사 인자는 발달이 종료된 후에도 성체 중뇌 도파민 신경세포에 발현되어, 중뇌 도파민 신경세포 생존에 중요한 전사인자로서, DNAJC6 돌연변이가 존재하는 중뇌 도파민신경세포에서는 본 전사 인자의 결손과 함께 미토콘드리아의 및 산화 스트레스의 증가, 비정상적 α-synuclein 단백 응집, 비정상적인 전기생리활성의 증가 및 세포 사멸이 관찰되었다. DNAJC6 돌연변이가 포함된 중뇌 도파민 신경세포에서는 DNAJC6 고유기능인 vesicular trafficking관련 autolysosomal clearance과정도 감소되어, 비정상적 α-synuclein 단백 축척을 초래 및 이에 따른 중뇌 도파민 신경세포 사멸이 가중되는 것으로 판단되어 진다.