Direct conversion of patient specific human neural stem cells from Niemann-Pick disease type C patient-derived fibroblasts

Abstract

니만 피크 C형 질환은 니만 피크 C1형과 C2형 유전자의 변이로 인한 지질대사 불균형을 나타내는 신경 퇴행성 질환으로 콜레스테롤이 비정상적으로 축적되는 특징을 보인다. 대부분의 니만 피크 C형 질환 환자들이 신경 퇴행 증상을 보임에 따라 신경 손상 기전을 밝히기 위한 연구가 진행되어왔으나 한정된 질환 모델로 인해 정확한 기전 파악에 어려움이 있었다. 이에 따라 본 연구에서는 니만 피크 C형 질환 환자 유래 유도신경줄기세포를 확립함으로써 신경 퇴행성 연구에 적합한 질환 모델을 구축하고 질환 특이적 형질을 재현하고자 하였다. 먼저 리프로그래밍 인자인 SOX2, HMGA2를 이용한 직접형질전환기법을 통해 환자 유래 섬유아세포를 신경줄기세포로 유도하였다. 유도된 신경줄기세포는 신경줄기세포 특이적 마커를 발현하였고, 일반적으로 신경줄기세포가 분화할 수 있는 신경계통 세포인 신경 세포 (neuron), 성상교세포 (astrocyte), 희소돌기아교세포 (oligodendrocyte)로의 다분화능이 확인되었다. 다음으로 니만 피크 C형 환자 유래 유도신경줄기세포가 고유의 질환 형질을 그대로 유지하고 있는지 확인하고자 필리핀 염색과 신경분화를 진행하였다. 그 결과, 필리핀 염색을 통해 니만 피크 C형 질병의 주요 특징인 다량의 콜레스테롤 침착을 확인하였고, 신경세포로의 분화능이 현저하게 감소되는 신경 퇴행 증상을 확인하였다. 확립된 유도신경줄기세포의 증상 완화 가능성을 확인하기 위해 니만 피크 질병에 효과가 있다고 알려진 약물들을 처치 후 필리핀 염색을 진행하였다. 처치한 약물들을 비교했을 때 히스톤탈아세틸화 효소 억제제 중 하나인 발프로 산 (valproic acid)이 가장 효과적으로 콜레스테롤 축적을 억제하였다. 흥미롭게도, 발프로 산을 처리한 유도신경줄기세포는 증가한 신경구 형성을 통해 자기 재생 능력의 향상을 보여줄 뿐만 아니라 신경세포로의 분화능 개선 역시 확인할 수 있었다. 또한 발프로 산 처리 후 콜레스테롤 합성에 관여하는 유전자들의 발현이 감소하고, 콜레스테롤 운송에 관여하는 유전자들의 발현이 증가함으로써 발프로 산이 콜레스테롤 항상성에 기여함에 따라 신경 손상증상이 완화됨을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 니만 피크 C형 질환 환자 유래 유도신경줄기세포를 처음으로 확립하고 그 특성을 밝혀냈다. 이를 바탕으로 효율적인 치료제 개발을 위한 약물 스크리닝 플랫폼을 구축하고, 나아가 이를 활용한 질환 특징적 기전 규명을 통해 니만 피크 C형 질환 치료에 기여하고자 한다.

Niemann-Pick disease type C is a neurodegenerative and lysosomal lipid storage disorder, characterized by abnormal accumulation of unesterified cholesterol and glycolipids, which is caused by mutations in NPC1 or NPC2 genes. Here, the generation of human induced neural stem cells from NPC patient-derived fibroblasts (NPC-iNSCs) using only two reprogramming factors without going through the pluripotent state were reported. NPC-iNSC lines were stably expandable and showed trilineage neural differentiation potential. However, NPC-iNSCs displayed cholesterol accumulation, defective self-renewal, and neuronal differentiation, suggesting that NPC-iNSC lines retain main features of NPC disease. It was found that valproic acid (VPA), a histone deacetylase (HDAC) inhibitor, significantly ameliorated the cholesterol accumulation and restored cholesterol homeostasis. Furthermore, VPA corrected the impaired self-renewal and neuronal differentiation of NPC-iNSC lines. Taken together, these findings suggest that NPC-iNSCs could provide a powerful platform for pathological study or drug screening in a patient specific manner and that this direct conversion technology may extend to other human neurodegenerative diseases.