Imaging mRNA in live neurons and animals

Abstract

mRNA는 유전자 발현의 첫번째 산물이면서, 리보솜과 함께 단백질을 합성한다. 특히 뉴런에서, 몇몇 RNA들은 자극에 의해 만들어지고, 뉴런의 특정 부분으로 수송되어 국소적으로 단백질 양을 조절할 수 있게 한다. 최근 mRNA 표지 기술의 발전으로 살아있는 세포에서 단일 mRNA를 관찰하는 것이 가능해졌다. 이 연구에서, 우리는 RNA 이미징 기술을 이용해, 기억 형성과 상기할 때 활성화된 뉴런의 집합을 찾는 것 뿐 아니라, 뉴런의 축삭돌기에서 mRNA가 어떻게 수송되는지를 관찰했다. 이 논문의 첫 부분에서 우리는 신경 자극에 반응해서 만들어지는 것으로 알려진, Arc 유전자의 전사를 관찰하였다. 기억은 engram 혹은 기억 흔적 (memory trace)라고 불리는 뉴런들의 집합에 저장되어 있다고 생각된다. 그러나, 시간에 따라서 이런 기억 흔적세포들의 집합이 어떻게 변하고, 변화하면서도 어떻게 정보를 유지할 수 있는지 잘 알려져 있지 않다. 또한, 살아있는 동물에서, 기억 흔적세포를 긴 시간 동안 여러 번 찾아내는 것은 어려운 일이었다. 이 연구에서는 genetically-encoded RNA indicator (GERI) 기술을 사용해, 기억 흔적세포의 표식으로 널리 사용되는 Arc mRNA의 전사과정을 살아있는 쥐에서 관찰하였다. GERI를 이용함으로써, 기존 방법들의 한계점이었던 시간 제약 없이, 실시간으로 Arc를 발현하는 뉴런들을 찾아낼 수 있었다. 쥐에게 공간 공포 기억을 주고 나서 여러 번 기억을 상기시키는 행동실험 후에 Arc를 발현하는 세포를 식별했을 때, CA1에서는 Arc를 발현하는 세포가 이틀 후에는 더 이상 활성화되지 않았으나, RSC의 경우 4퍼센트의 뉴런들이 계속해서 활성화하는 것을 관찰했다. 신경활동과 유전자 발현을 같이 조사하기 위해, 쥐가 가상 환경을 탐험하고 있을 때 GERI와 칼슘 이미징을 동시에 진행하였다. 그 결과, 기억을 형성할 때와 상기시킬 때 Arc를 발현했던 뉴런들이 기억을 표상하는 것을 알아낼 수 있었다. 이처럼 GERI 기술을 이용해 살아있는 동물에서 유전자 발현된 세포를 찾아내는 방식은 다양한 학습 및 기억 과정에서 기억 흔적세포의 dynamics에 대해 알아낼 수 있을 것으로 기대된다. 이 논문의 두번째 부분에서, 우리는 세포 골격의 기본 구성 단위가 되는 β-actin의 mRNA를 축삭돌기에서 관찰하였다. mRNA의 국소화 (localization)를 통한 국소 단백질 합성은 축삭돌기 (axon)의 성장과 재생에 중요한 역할이 있다고 알려져 있다. 하지만, 아직 mRNA의 국소화가 축삭돌기에서 어떻게 조절되고 있는지 잘 알려져 있지 않다. 이 문제를 해결하기 위해서, 우리는 모든 β-actin mRNA가 형광으로 표지된 유전자 변형 쥐를 이용해, 살아있는 축삭돌기에서 β-actin mRNA를 관찰하였다. 이 쥐의 뉴런을 축삭을 구분해 줄 수 있는 미세유체 장치 (microfluidic device)에 배양한 뒤에, β-actin mRNA를 관찰하고 추적을 진행했다. 축삭은 세포 몸통으로부터 길게 자라기 때문에 mRNA가 먼 거리를 수송되어야 함에도 불구하고, 대부분의 mRNA가 수상돌기에 비해 덜 움직이고 작은 영역에서 움직이는 것을 보았다. 우리는 β-actin mRNA가 주로 축삭돌기의 가지가 될 수 있는 filopodia 근처와, 시냅스가 만들어지는 bouton 근처에 국소화되는 것을 관찰했다. Filopodia와 bouton이 actin이 풍부한 부분으로 알려져 있기 때문에, 우리는 액틴 필라멘트와 β-actin mRNA의 움직임간에 연관성을 조사했다. 흥미롭게도, 우리는 β-actin mRNA가 액틴 필라멘트와 같이 국소화 되고, β-actin mRNA가 액틴 필라멘트 안에서 sub-diffusive한 움직임을 보였으며, 먼 거리를 움직이던 mRNA도 액틴 필라멘트에 고정되는 모습도 확인할 수 있었다. 축삭에서 β-actin mRNA 움직임을 본 이번 관찰은 mRNA 수송 및 국소화에 대한 생물물리학 적 메커니즘의 기반이 될 수 있을 것이다.

mRNA is the first product of the gene expression and facilitates the protein synthesis. Especially in neurons, some RNAs are transcribed in response to stimuli and transported to the specific region, altering local proteome for neurons to function normally. Recent advances of mRNA labeling techniques allowed us to observe the single mRNAs in live cells. In this thesis, we applied RNA imaging technique not only to identify the neuronal ensemble that activated during memory formation and retrieval, but also to traffic mRNAs transported to the axon. In the first part of the thesis, we observed the transcription site of Arc gene, one of the immediate-early gene, which is rapidly transcribed upon the neural stimuli. Because of the characteristic of expressing in response to stimuli, Arc is widely used as a marker for memory trace cells thought to store memories. However, little is known about the ensemble dynamics of these cells because it has been challenging to observe them repeatedly over long periods of time in vivo. To overcome this limitation, we present a genetically-encoded RNA indicator (GERI) technique for intravital chronic imaging of endogenous Arc mRNA. We used our GERI to identify Arc-positive neurons in real time without the time lag associated with reporter protein expression in conventional approaches. We found that Arc-positive neuronal populations rapidly turned over within two days in CA1, whereas ~4% of neurons in the retrosplenial cortex consistently expressed Arc upon contextual fear conditioning and repeated memory retrievals. Dual imaging of GERI and calcium indicator in CA1 of mice navigating a virtual reality environment revealed that only the overlapping population of neurons expressing Arc during encoding and retrieval exhibited relatively high calcium activity in a context-specific manner. This in vivo RNA imaging approach has potential to unravel the dynamics of engram cells underlying various learning and memory processes. In the second part of this thesis, we imaged β-actin mRNAs, which can generate a cytoskeletal protein, β-actin, through translation. Local protein synthesis has a critical role in axonal guidance and regeneration. Yet it is not clearly understood how the mRNA localization is regulated in axons. To address these questions, we investigated mRNA motion in live axons using a transgenic mouse that expresses fluorescently labeled endogenous β-actin mRNA. By culturing hippocampal neurons in a microfluidic device that allows separation of axons from dendrites, we performed single particle tracking of β-actin mRNA selectively in axons. Although axonal mRNAs need to travel a long distance, we observed that most axonal mRNAs show much less directed motion than dendritic mRNAs. We found that β-actin mRNAs frequently localize at the neck of filopodia which can grow as axon collateral branches and at varicosities where synapses typically occur. Since both filopodia and varicosities are known as actin-rich areas, we investigated the dynamics of actin filaments and β-actin mRNAs simultaneously by using high-speed dual-color imaging. We found that axonal mRNAs colocalize with actin filaments and show sub-diffusive motion within the actin-rich regions. The novel findings on the dynamics of β-actin mRNA will shed important light on the biophysical mechanisms of mRNA transport and localization in axons.