miR-124a Governs Stemness Maintaining and Developmental Transition in Human Embryonic Stem Cells

Abstract

초기 배아 발생에서 세포 증식 (cell proliferation)과 세포 이동 (cell migration)은 매우 중요한 현상이다. 특히 세포의 이동은 정확한 시간과 위치에서 유전자 발현이 필수요건이다. 그러나 발생 중인 초기 인간 배아에서 자세한 기작은 잘 알려져 있지 않다. 최근에 알려진 microRNAs는 small non-coding RNAs로서 약 21개의 뉴크레오티드로 이루어져 있으며 mRNA (messenger RNA)의 발현을 조절하는 것으로 알려져 있다. 현재까지 수백개 이상의 miRNA가 식물과 동물에서 발견되었으며 동물의 발달 및 분화과정 그리고 다양한 동물조직에서 특이적으로 발현하면서 유전자 발현을 미세 조정하고 있으나 개별적인 miRNA의 기능은 대부분 알려져 있지 않다. 따라서, 본 연구에서는 미분화 배아줄기세포 및 신경세포에서 특이적으로 발현하는 microRNAs 중에서 miR-124a의 표적 유전자를 탐색하고 분화 중인 인간 배아줄기세포에서 세포의 이동과 세포 연접 (cell adherens junction)을 통합 조절하는 새로운 기전을 연구하였다. 이를 위해 miR-124a에 대한 표적 유전자를 computer analysis 방법을 이용하여 SLUG와 IQGAP1을 도출 하였으며, 분화 중인 인간 배아줄기세포에서 발현 및 그 기능을 탐구하였다. 미분화 인간 배아줄기세포의 이동능력은 극히 제한적인 반면, 분화 개시된 embryoid bodies (EBs)에서는 활발한 이동성을 보였다. 이러한 분화 유도에 따라 miR-124a의 발현은 점차 감소하였으며, 그 표적 유전자인 SLUG와 IQGAP1의 단백질 발현은 반대로 증가하였다. miR-124a oligomer 도입을 통해 SLUG/IQGAP1 단백질 발현이 조절되어 미분화 콜로니 형성을 촉진하였다. 또한 siRNA를 이용한 SLUG/IQGAP1 knockdown 실험을 통해 분화 중인 배아줄기세포의 이동성 및 세포 연접을 제한되었다. 미분화 배아줄기세포의 연접을 매개하는 E-cadherin은 SLUG의 증가에 따라 E-cadherin의 promotor E-box에 결합하여 transcription level을 감소시켰으며, 분화에 따라 발현 증가된 IQGAP1은 이동하는 세포의 leading edge에 분포하면서 세포의 polarity 및 이동에 관여하는 것으로 확인 했다. 따라서 본 연구는 분화 중인 인간 배아줄기세포의 세포 이동과 연접을 miR-124a가 통합 조절하는 초기 인간 발생의 새로운 모델을 제시하였다.; Precise control of gene expression is of paramount importance for proper embryonic development. Although a number of microRNAs (miRNAs) has been implicated in fine-tuning of mRNA translation during development, their precise roles, particularly in connection with the functional targets, are not to be clarified yet. Human embryonic stem cells (hESCs) are capable of unlimited growth and differentiating into diverse cell types and thus provide a unique in vitro system for studying early human development. Recent accumulated knowledge of miRNAs prompted us to investigate whether miRNA-124a plays important roles in developmental transition from hESC to embryoid bodies (EBs). Here, we demonstrated that SLUG and IQGAP1, which modulate rearrangement of migratory cytoskeleton, are specific targets of miR-124a. We show that a decrease of miR-124a in spontaneously differentiating hESCs leads to a dramatic increase in SLUG and IQGAP1. Conversely, enforced overexpression of miR-124a in hESCs leads to decreased SLUG and IQGAP1 expression and dramatic inhibition of migration of differentiating cells, which represents one of hallmark event in early mammalian development. These effects of miR-124a are mediated by down-modulated SLUG and IQGAP1 expression, as RNAi against SLUG and IQGAP1 similarly result in reduction of cell migration. We believe this is the first report demonstrating how cell fate transition from hESCs to somatic cells is regulated by a key regulator miR-124a and its targets.