Identification and characterization of novel genes involved in early embryogenesis in mice

Abstract

수정란의 초기 발생과정은 시기에 맞춰 복잡하게 발현되는 유전자와 단백질들에 의해 매우 정교하게 조절이 된다. 본 연구에서는 NCBI database를 이용한 in silico연구를 통해 생쥐의 oocyte UniGene library로부터 발굴된 생식세포에 특이적인 신규 유전자를 발굴하고 그 특성을 연구하였다. 이러한 과정을 통하여 난자에서 발현되는 유전자들, Gm11545, Arg2 및 Lnx2를 발굴 하였으며, 그 중 배아 초기단계까지 발현되는 신규 유전자인Gm1154를 심층분석하였다. 발현 양상을 분석한 결과, Gm11545의 유전자는 수정 이전의 난자부터 착상 직전 단계인 배반포상태까지 발현이 되었으며, 단백질의 경우도 배반포 단계까지 발현되며 일부 단백질이 세포막에 위치하는 것이 확인되었다. 합성한 dsRNA을 이용한 knockdown실험을 통해, 배아에서 Gm11545의 발현을 감소시킨 후 그 효과를 관찰한 결과, Gm11545가 감소된 배아의 경우 배아의 발생이 상실배 단계에서 정지되었다. 이 배아의 문제를 분석한 결과 세포의 분열 과정에 문제가 발생하여 16-세포 단계에서 분화가 정지되었으며 이러한 배아에서 심각한 세포 사멸이 관찰되었다. 이러한 결과는 배아의 분화에 관여하는 중요한 전사 조절 인자의 발현에 문제가 생겨 일어난 것으로, 배아 바깥세포군에 발현되는 것으로 알려진 CDX2의 단백질과 유전자의 발현이 배반포상태에서 크게 감소하였다. 대신 미분화 배아 줄기 세포가 되는 inner cell mass에 발현되는 OCT4가 단백질과 유전자 수준에서 발현량이 증가하였으며, 배아 바깥세포군(trophectoderm)에도 발현이 되는 것이 관찰되었다. 이 결과는 Gm11545가 배아에서의 세포의 분화에 중요한 역할을 하는 주요 전사 인자의 발현을 조절함을 보여주며, 이로써 본 연구는 초기 배아발생과정에서 분화를 조절하는 새로운 메커니즘을 규명하였다.|In mammals, the early embryo travels down the oviduct to the uterus and prepares for implantation. The unique features of preimplantation development include compaction followed by blastocyst formation. This first cell lineage specification involves various proteins including cell polarity regulators, kinases and transcription factors. In this study, a novel gene named predicted gene 11545 (Gm11545) expressed predominantly in mouse early embryos was identified and characterized at the transcript, protein, cellular and functional levels. The Gm11545 protein localized to both cytoplasmic and membrane regions of preimplantation embryos. Remarkably, knockdown of Gm11545 led to arrest of mouse embryos at the morula stage and consequent impairment of blastocyst formation. Expression patterns of the key transcription factors critical for early lineage specification, octamer-binding transcription factor 4 (Oct4) and caudal type homeobox 2 (Cdx2), were affected by Gm11545 depletion. Based on the collective findings, I propose that the novel protein identified in this study, Gm11545, is implicated in cell proliferation and cell lineage specification critical for blastocyst formation.