Studies of the roles of microRNA-1273g-3p and phospholipase C-β1 in Alzheimer’s disease pathogenesis

Abstract

알츠하이머치매 (Alzheimer’s disease) 는 노인 인구를 괴롭히는 회복 불가능한 신경 퇴행성 질환이며, 뇌조직에 아밀로이드베타 (Amyloid-β)가 축적되는 것이 알츠하이머 치매의 주요 원인으로 여겨져 왔다. 그러나, 산발성 알츠하이머치매 (Sporadid Alzheimer’s disease) 환자의 뇌에서 아밀로이드베타의 과잉 생산 되는 메커니즘과 아밀로이드베타에 의한 신경독성 (neuotoxicity) 메커니즘은 아직 완전히 규명되지 않았다. 본 연구에서는 새로운 알츠하이머치매 연관 microRNA (miRNA)인 miR-1273g-3p 가 아밀로이드베타 과형성 과정에 미치는 영향과, 아밀로이드베타에 의해 유발된 신경변성 (neurodegeneration) 과정에서 칼슘 신호전달의 매개체 중 하나인 phospholipase C-β1 (PLCB1) 의 기능에 대하여 확인하였다. miRNA는 알츠하이머치매 진행에 관여하는 유전자 발현에 대한 중요한 조절 인자 중 하나로 보고되고 있다. 제 1파트에서는, miR-1273g-3p가 초기 알츠하이머치매 환자의 뇌척수액에서부터 그 수치가 지속적으로 상승되어 있는 것을 발견하여, 이를 알츠하이머치매 연관-miRNA로 제안하였다. miR-1273g-3p의 과발현은 알츠하이머치매 모델 세포주에서 산화 스트레스와 미토콘드리아 손상을 유도하여 아밀로이드베타 생산을 촉진하는 것으로 밝혀졌다. 비오틴결합 miRNA (biotinylated miRNA) 를 사용하여 miR-1273g-3p의 표적 유전자를 분석한 결과, miR-1273g-3p는 주로 미토콘드리아 유전자와 상호작용하여 발현을 감소시키는 것으로 밝혀졌다. 특히 miR-1273g-3p 표적 유전자 중 하나인 TIMM13은 인간 알츠하이머병 환자의 뇌 조직에서 감소된 발현을 보였다. 이러한 발견에 따르면 miR-1273g-3p 발현이 알츠하이머치매 발병의 주요 요인으로 간주되는 아밀로이드베타 과형성 및 미토콘드리아 손상에 중요한 영향을 미치는 것으로 여겨진다. 세포 내 칼슘 과부하는 아밀로이드베타에 의한 신경변성을 매개하는 것으로 알려지고 있다. PLCB1은 G-단백질 결합 수용체 경로를 통해 phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate가수분해를 매개함으로써 칼슘 신호전달을 조절하는 것으로 잘 알려져 있지만 알츠하이머치매에서의 역할은 아직 밝혀지지 않았다. 제 II파트에서는 아밀로이드베타에 의해 유발된 칼슘 과부하에서 PLCB1의 역할을 규명하였다. SH-SY5Y세포에 아밀로이드베타 올리고머 처리에 따라 PLCB1 발현이 증가하는 것을 확인하였으며, 가족성 알츠하이머치매 (familial Alzheimer’s disease) 모델 마우스인 5xFAD 마우스의 뇌 조직에서도 발현이 증가하는 것을 확인하였다. 또한, SH-SY5Y 세포에서 PLCB1 과발현 시켰을 때 Aβ 처리 세포에서 관찰된 칼슘 과부하가 유도되는 것을 관찰 하였으며, SH-SY5Y 세포에서 아밀로이드베타 올리고머에 의해 유발된 칼슘 과부하가 PLCB1의 발현저하 (knockdown) 에 의해 완화되는 것을 확인하였다. 종합적으로, 본 연구를 통해 miR-1273g-3p와 PLCB1이 알츠하이머치매의 발병과 진행에 영향을 미치는 중요한 인자가 될 수 있음을 확인하였으며, 이들이 알츠하이머병 치료에서 진단 마커이자 치료 표적이 될 수 있음을 시사한다.|Alzheimer’s disease (AD) is an irreversible neurodegenerative disease which afflicts the elderly population. For a long time, deposition of amyloid-β (Aβ) in the brain was considered as major cause of AD. However, the mechanisms of overproduction of Aβ in the brain in sporadic AD and the neurotoxic effects of Aβ are still not fully understood. In the present report, I investigated the role of miR-1273g-3p, a novel AD-associated microRNA (miRNA), in Aβ production process and phospholipase C-β1 (PLCB1), a mediator of calcium signaling, in Aβ-induced neurodegeneration. miRNAs are known as important regulatory factors for gene expressions involved in AD progression. In part I, miR-1273g-3p was identified as an AD-associated miRNA, the level of which was continuously elevated in the cerebrospinal fluid CSF of patients with AD from an early-stage. The overexpression of miR-1273g-3p was found to facilitate Aβ production by inducing oxidative stress and mitochondrial impairments in AD model cell lines. In an analysis of the target genes of miR-1273g-3p using biotinylated miRNA, miR-1273g-3p was found to primarily interact with the mitochondrial genes and downregulate their expressions. In particular, TIMM13, one of the miR-1273g-3p-target genes, showed reduced expression in brain tissues from human AD patients. According to these findings, miR-1273g-3p notably contributes to Aβ overproduction and mitochondrial impairments, which are the key characteristics of AD. Intracellular calcium overload is suggested to mediate Aβ-induced neurodegeneration. PLCB1 is well-known to regulate calcium signaling by mediating hydrolysis of phosphatidyl-inositol 4,5-bisphosphate through G-protein coupled receptor pathways, but its role in AD is not yet elucidated. In part II, the role of PLCB1 in Aβ-induced calcium overload was investigated. The treatment of SH-SY5Y cells with Aβ oligomer reduced cell viability and increased the acetylcholine-induced calcium release from intracellular stores. The expression of PLCB1 expression was found to be elevated in Aβ-treated cells and the brain tissues from the 5x familial AD (5xFAD) model mice. In SH-SY5Y cells, PLCB1 overexpression reiterated the calcium overload observed in Aβ-treated cells. In addition, Aβ oligomer-induced calcium overload in SH-SY5Y cells was abrogated by the knockdown of PLCB1. These results indicate that PLCB1 plays an essential role in the neurotoxic process initiated by Aβ. Collectively, these studies suggest that miR-1273g-3p and PLCB1 are important factors which affect the onset and progression of AD, and could be a diagnostic marker as well as a therapeutic target in AD treatment.