Chap. 51 STEM CELLS 배경 – type 1 당뇨병으로 수십만 명이 고생

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1 Chap. 51 STEM CELLS 배경 – type 1 당뇨병으로 수십만 명이 고생
- 이유 : 치료에 필요한 cell들이 충분치 않음 따라서 새로운 islet cells source가 필요  pluripotent stem cells : self-renewal/diff. into all cell types embryonic stem cells - blastocyst 의 inner cell mass로부터 얻어짐 - 만약 culture의 condition 즉 proliferation, diff. 이 확립되면 어떠한 adult cell type 특히 islets 의 무한정 공급이 가능하다는 장점 stem cells 연구에 대하여….. - adult, born-marrow 등에서 성공한 연구예가 나오지만 아직 부족 - 이유 : human stem cell biology에 대한 이해 부족 특히, human stem cell proliferation과 diff. 의 in vivo/in vitro system 부족 이 chap.의 목적 - 당뇨병 치료를 위해서 pancreatic islets 발달 systems 특히 diff. 의 complexity에 대해서 알아보기 - stem cell 이 adult islets으로 분화하기 위해 시도하고 있는 연구 - type 1 DM 에서 islet 대체 치료를 위한 stem cells의 잠재성에 대하여

2 Pancreas Development ( in mouse )
초기 pancreatic 구조와 발달 정보 - chicken, rodent system 에서 연구 - human 과는 pancreatic anatomy와 islet 구성의 차이는 있지만 분화는 비슷 mouse embryogenesis 과정 - e9.5 : dorsal bud인 foregut epithelium에서 pancreas 나타나기 시작 glucagon 분비세포 확인가능 시기 - e10.5 : ventral bud 발생  insulin 분비 세포 확인가능 dorsal / ventral bud - endocrine, exocrine precursors - stomach 와 duodenum이 서로 만날때까지 독립적으로 성장 - dorsal / ventral bud 가 만나면 완전한 췌장 형성 - e14.5 : somatostatin 발현 - e15.5 : nesidioblastosis(?) / new islet 형성 - e17 : dorsal/ventral buds가 fusion 되어 하나의 조직 형성 - e18.5 : pancreatic polypeptide 분비 세포 확인 가능 시기 islets of Langerhans 형성  e 3주 정도 되면 pancreatic islets 명확 해지고, duct 구조로부터 구분 가능

3 during pancreatic development
1. multihormone-expressing cells 2. various transcription factors and growth/developmental factors (GDFs) - 1개 이상의 hormone을 발현시키는 세포들 존재 - endocrine cell precursors  mature single hormone-expressing cells - multihormone-expressing cells 이 transient phase 로 존재 - 아직 완전히 밝혀지지 않음 2. various transcription factors and GDFs - endocrine pancreas 발달동안 ‘mark’ stage로 이용 - two major GDFs : sonic / Indian hedgehog (?) - other GDFs : FGF(fibroblast growth factor)-2 / activin βB [FGF-2] 장차 pancreatic endoderm 지역에서 hedgehog 발현을 억제하여 앞으로 pancreas 지역을 mark <Table 51.2> 분화하는 세포의 각 단계를 조절하는 TFs 에 관하여 정리 multipotent stem cells  fully diff. hormone-expressing cells

4 Transcription Factors in Endocrine Pancreas Development
pancreas 발생에 관여하는 TFs 1. winged helix family 2. homeodomain family 3. basic helix-loop-helix(bHLH) family  transgenic mouse 연구를 이용하여 pancreas 발생과정에서의 TFs 발현시기와 역할에 대해 연구 Winged helix family HNF(hepatocyte nuclear factor) 3β = Foxa 2 - e 에 endoderm에서 처음 발현 - HNF 3β -/- mice : foregut morphogenesis 가 결함 e11쯤에 죽음 - HNF 3α : Foxa1/ e7.5에 endoderm에서 발현 disruption mRNA level에서 glucagon이 70% 이상 감소/α cell 수 감소 [ two winged helix family proteins 역할 ] early pancreas development 에서 중요한 역할/glucagon gene transcription 에도 영향

5 homeodomain gene family : pancreas 발생의 주요 transcription 조절자로 구성
Hlxb9 - protein Hb9 coding - e8 발현 - foregut 와 midgut 접합 부위의 epithelium에서 발생 - e12.5에 발현 감소 - e13.5에 다시 증가(pancreas dorsal과 ventral 부근에서) - e17.5 only islet cell에서만 발현 - disruption  no dorsal pancreata no pdx1 or Ils1 but ventral bud와 pdx1은 나타남 e18.5 islet size 감소하고 몇 개의 insulin-positive cells 만 발현 [역할] dorsal pancreas 형성/β-cell 의 마지막 분화와 성장에 중요한 gene Pdx1 - e8.5 또는 모든 pancreatic region에서 발현 - pdx1 positive cells : endocrine, exocrine, ductal등 3가지 pancreatic cell type에 관여 - β, δ cells을 발달 과정에서 억제 - pdx1 mutation : 췌장이 발달하지 못함

6 - secondary role : β-cell 기능유지 역할
inactivation 되면 insulin 발현 세포가 손실되고 당뇨 발생 [역할] 2가지 : pancreas morphogenesis/maintaining pancreastic β-cell function Pax4 - e9.5 발현 - Pax4 deficient mice : 태어날때 정상, 48시간되면 성장 지연, 3-5일만에 죽음 - Pax4-/- mice : pancreata 정상 크기, insulin/somatostatin 발현세포 없음 [역할] Pax4불활성시 β, δ cells로 분화에 영향 즉 β, δ cells 성장과 유지에 필수 gene Nkx2.2 - e9.5 처음 발현 - disruption : 불완전하게 분화된 β-cells 이 축적 - family Nkx6.1 : 초기 development에서 발견, Nkx2.2 mutant mice에서 e18.5에 사라짐 β-cells 마지막 분화와 Nkx6.1 발현 유지에 필요 gene

7 Nkx6.1 - e10.5 발현시작 - e15.5 insulin-positive cells과 일부 ductal cells 의 발현 제한 - disruption : β-cells 형성이 매우 감소 [역할] β-cell progenitors의 마지막 분화와 expansion에 필요 gene Pax6 - e9.0 pancreas 발현 시기에 발현 - e10.5 Pax6와 glucagon이 동시에 발현 - e15.5 Pax6 positive cell은 glucagon 또는 insulin 발현 - Pax6 -/- mice : 소량의 α cells β, δ cells, PP-cells 수의 감소 islet cell 수 , morphology, hormone synthesis 조절에 필요 gene Isl-1 - e9.0 발현 시작 - e9.5 모든 glu-positive cells에서 발현 - Isl 1 부족시 : e9.5 이후의 발생 억제 즉 glu-positive cells에서 확인 불가능 - I니 1 -/- mice : endocrine cells 발달하지 않음(exocrine pancreata 나타나도) islet cells로 분화시 필요 gene / but exocrine pancreas 발달시 필요요소 아님

8 HNF6 - ‘one-cut’ class 에 속함(?) - e9.5 pancreatic bud epithelial cells 에서 발현 - disruption : normal exocrine pancreas 를 이끄는 대신 endocrine 발달에 심한 방해 일으킴 즉 e12.5 insulin 발현 세포들이 발견되지 않음 - HNF6-/- mice : 태어날때부터 저혈당 살면서 glucose intolerant 로 변함 [역할] normal embryos 에서 Ngn3와 같이 발현함 즉 Ngn 3 발현을 자극하는 역할