알츠하이머 및 발육 이상질환 등 다향한 연구모델인 Gsk3b 녹아웃 마우스

Gsk3b 유전자는 글리코겐 생성효소 인산화효소-3β(glycogen synthase kinase-3β, GSK-3β)를 암호화합니다. GSK-3β는 다기능 세린(Serine)/트레오닌 키나아제(threonine kinases)입니다. 글리코겐 합성 효소 키나아제 서브패밀리에 속하며 포도당 항상성의 음성 조절자이며 에너지 대사, 염증, 소포체 스트레스, 미토콘드리아 기능 장애 및 세포 사멸 경로에 관여합니다. 이 유전자와 관련된 질병은 주로 파킨슨병과 알츠하이머병 등이 있다.

Gsk3b 유전자 소개

Gsk3b 유전자는 GSK-3β를 인코딩하는 마우스의 염색체 16에 위치합니다. GSK-3β는 포유류 진핵 세포에서 흔히 발견되며 PI3K/Akt 신호 전달 경로의 주요 다운스트림 단백질이며 Akt는 GSK-3β의 Ser9를 인산화하고 효소 활성을 억제하여 혈당을 낮출 수 있습니다. 글리코겐 합성효소(glycogen synthase, GS)의 활성을 조절하는 최초의 발견 외에도 Gsk3b 유전자에 의해 암호화된 단백질 GSK-3β는 많은 신호 단백질, 구조 단백질 및 전사 인자에 작용하여 세포의 분화, 증식, 생존 및 세포 사멸을 조절하며 에너지 대사, 체형 발달 및 신경 세포 발달에 중요한 역할을 합니다.

또한 GSK-3β는 G1/S-특이적 사이클린-D1(Cyclin D1)의 단백질 분해 및 세포 내 국소화를 조절하고 β-연쇄 단백질(β-catenin)을 인산화하며 Wnt 신호 전달 경로를 조절할 수 있습니다. 동시에 암, 신경퇴행성 질환, 신경정신성 질환 및 기타 주요 질병에 대한 연구에서 GSK-3β를 치료 대상으로 선택하는 것이 점점 더 많은 연구자들의 관심을 받고 있습니다.

Gsk3b 유전자의 동형 녹아웃 마우스(Homozygous knockout mice)는 임신 중기 배아 사망 또는 신생아 사망을 나타내었고, 신생아기에 마우스가 사망했을 때 구개열과 흉골열이 발생했습니다. Gsk3b 유전자는 성인 쥐의 뇌(RPKM8.1) 및 갑상선(RPKM5.7)을 포함한 27개 조직에서 일반적으로 발현됩니다. Gsk3b 유전자의 돌연변이는 알츠하이머병, 나팔관 장액성 선암종, 동맥류성 골낭종, 조현병 1 및 기타 질병과 관련이 있으며 관련 경로에는 PI3K/Akt 신호 전달 경로 및 대식세포의 CCR5 경로가 포함됩니다.

그림 1. Gsk3b 유전자 관련 정보

출처 : RDDC 희귀병 데이터센터

https://rddc.tsinghua-gd.org/details/gene?gene=2ZqQ3m

Gsk3b 녹아웃 마우스 모델 적용

1. 뇌

Gsk3b 유전자에 의해 암호화된 GSK-3β는 대사 효소, 신호 단백질, 구조 단백질 및 전사 인자를 인산화하여 뇌에 고도로 농축된 구성적 활성 키나제입니다[1]. 신경원섬유 엉킴 (neurofibrillary tangles, NFTs) 은 신경 퇴행성 질환의 신경병리학 표지로 고도로 인산화된 타우 단백질로 구성되어 있다. GSK-3β는 NFTs에서 고도로 인산화된 타우 단백질을 형성하는 관련 효소로 알츠하이머병(AD)을 포함한 신경퇴행성 질환의 NFTs 형성 및 신경 손실에 관여합니다[2-3]. 성인 뇌에서 GSK-3β의 정상적인 기능을 연구하기 위해 연구자들은 상동 재조합 기술을 사용하여 Gsk3b 녹아웃 마우스 모델을 구축하고 이형접합체 GSK-3β 녹아웃(GSK+/-) 마우스의 기억 형성 능력을 분석했습니다.

그림 2. Gsk3b 녹아웃 마우스 모델 구축[4]

Morris water maze 테스트에서 훈련 첫 3일 동안 GSK+/- 생쥐의 학습 및 기억 표현은 야생형(WT) 생쥐와 다르지 않았다. 그러나 훈련이 계속됨에 따라 GSK+/- 마우스의 역행성 기억 상실이 유도되었으며, 이는 장기 기억을 형성하는 능력이 손상될 수 있음을 시사한다. 상황 공포 조절 테스트에서 상황 기억은 GSK+/- 생쥐에서 정상적으로 통합되지만 원래 기억이 다시 활성화되면 GSK+/- 생쥐는 동결 상태를 보여 기억 재통합 능력이 손상될 수 있음을 나타냅니다. 동시에 WT 생쥐의 기억이 재활성화되면 뇌에서 GSK-3β가 활성화되지만, 기억이 재활성화되기 전에 GSK-3 억제제를 복강내 주사하면 기억 재통합이 손상되어 기억 재통합에 GSK-3β가 뇌에서 활성화되어야 함을 나타냅니다.

위의 결과는 GSK-3β가 성인 뇌의 기억 유지에 중요한 역할을 하며 기억 강화 및/또는 재통합과 같은 기억 유지 시스템에 영향을 미친다는 것을 보여줍니다. 동시에 GSK-3β는 기억 통합 과정에서 활성화될 수 있으며 재통합 과정에서 GSK-3β의 추가 활성화가 필요할 수 있습니다. Cyagen은 동종 Gsk3b 녹아웃 모델 제공, 상품번호 : S-KO-10896

2. 구개(palate)

β-catenin 매개 Wnt 신호 전달 경로는 두개골 구조를 포함한 다양한 조직 및 기관의 발달을 포함합니다[5]. 쥐의 배아 발달 동안 Gsk-3β는 위턱 형성에 중요하며, Gsk-3β는 배아 줄기 세포주에서 Wnt/β catenin 신호 전달을 조절하는 중복 기능을 합니다[6]. Gsk-3β 돌연변이 이형접합체의 생쥐는 정상적이고 생식력이 있는 것으로 보이지만 Gsk3b+/- 생쥐 간의 교잡에 의해 얻은 Gsk3b-/- 생쥐는 완전한 구개열 결함을 나타내며 출생 후 24시간 이내에 사망합니다. 구개 발생 동안 Gsk-3β의 조직 특이적 요구 사항을 결정하기 위해 연구자들은 Gsk3b 유전자의 조건부 녹아웃 마우스(cKO 마우스) 모델을 확립했습니다.

그림 3 Gsk3b 유전자 조건부 녹아웃 마우스 모델 구축[7]

연구원들은 구개 상피 및 간엽(mesenchyme)에서 Gsk3β 발현을 감지했으며, 동시에 Gsk3b-/- 마우스의 여러 단계에서 구개 발달에 대한 조직학적 분석을 수행했습니다. 야생형 대조군과 비교하여 Gsk3b-/- 마우스는 구개골격 발달이 비정상적이었습니다(그림 4). Gsk3β 발현은 주로 구개 상피 및 중간엽에서 검출되었기 때문에 2개의 확립된 형질전환 계통 Pitx2Cre 및 Osr2Cre를 사용하여 조직 특이적 방식으로 Gsk3β 기능을 종료하도록 선택되었습니다. Osr2Cre;Gsk3βF/F 생쥐는 출생 후 생존하여 정상적인 구개 형성을 보였다.대조적으로, 조사된 14마리의 Pitx2Cre; Gsk3βF/F 마우스 중 11마리는 완전한 2차 구개열을 나타내어 Gsk3β-/- 마우스의 결함을 나타냈다. Pitx2Cre;Gsk3βF/F 배아의 조직학적 검사에서 E13.5까지 구개 프레임의 발달은 기형을 나타내지 않았습니다. 그러나 E14.5에서 Gsk3β-/- 마우스에서 발견된 결함과 유사하게 Pitx2Cre;Gsk3βF/F 구개 프레임은 상승하지 못했습니다.전구개 프레임은 E18.5에서 상승했지만 후구개 프레임은 수직 위치에서 유지되었습니다.이러한 결과는 구개 발달 동안 구개 상피에 Gsk3β 기능이 필요하고 Gsk3β가 구개 상피에 작용하여 구개 프레임의 상승을 제어함을 시사합니다.

그림 4. Gsk-3β의 상피 비활성화는 구개열 형성을 초래한다[7]

또한 야생형 대조군 쥐와 GSK3B-/-쥐의 E12.5 와 E13.5 구개 프레임에 대해 BrdU 마크와 TUNEL 측정을 한 후, 야생형 대조군에 비해 GSK3B-/-쥐의 상피세포 증식률이 E12.5 곳에서 크게 증가했다. E13.5에서 유의하게 감소한 반면, 구개 상피의 세포자멸사 세포는 유의하게 증가하여 Gsk-3β가 구개 형성 중 세포 증식 및 생존 조절과 관련이 있음을 나타냅니다.

위의 결과는 Gsk3b 유전자에 의해 암호화된 Gsk-3β가 상피 세포에서 구개(palate) 상승에 필요한 내부 조절자이며 구개 발육을 조절할 수 있음을 나타냅니다. (Cyagen은 동일한 유형의 Gsk3b 유전자 조건부 녹아웃 모델을 제공할 수 있으며 제품 번호: S-CKO-12182)

결론

Gsk3b 유전자와 관련된 질병은 알츠하이머병, 나팔관 장액성 선암종, 동맥류성 골낭종, 정신분열증 1 등 여러 가지가 있습니다. Gsk3b 유전자에 의해 암호화된 Gsk-3β는 많은 신호 단백질, 구조 단백질 및 전사 인자에 작용하여 세포의 분화, 증식, 생존 및 세포 사멸을 조절하며 에너지 대사, 신체 발달 및 신경 세포 발달에 중요한 역할을 합니다. Gsk3b 녹아웃 마우스는 광범위한 과학적 연구 의의를 가진 파킨슨병 및 알츠하이머병과 같은 신경 퇴행성 질환 및 뼈 발달 연구에 사용할 수 있습니다.

Cyagen 마우스 모델 구축

Cyagen은 같은 유형의 조건부 유전자 녹아웃 마우스 모델을 구축했고, 같은 유형의 C57BL/6J-Gsk3bem1Cya유전자 녹아웃 살아있는 쥐가 이미 AI Knock-Out Mouse Model eBank 에 가입해 2 주 빨리 배송해 과학 연구에 도움을 주었다.

Gsk3b 조건부 녹아웃 마우스

마우스 복지, 제한적 배포 중 ~

제품 이름:

C57BL/6J-Gsk3bem1(flox)Cya

제품 라인 번호:

CKOCMP-56637-Gsk3b-B6J-VA

제품 번호:

S-CKO-12182

적용 방향:

❖행위/신경

❖ 세포분화/세포조성

❖ 두개면 관련 연구 등

타깃 방안:

Gsk3b 조건부 유전자 녹아웃 마우스 타깃 프로그램 다이어그램

Gsk3b 녹아웃 마우스

마우스 복지, 제한적 배포 중 ~

제품 이름:

C57BL/6J-Gsk3bem1Cya

제품 라인 번호:

KOCMP-56637-Gsk3b-B6J-VA

제품 번호:

S-KO-10896

적용 방향:

❖행위/신경

❖ 세포분화/세포조성

❖ 두개면 관련 연구 등

타깃 방안:

Gsk3b 녹아웃 마우스 표적화 계획 설명도

참고 문헌

[1] Grimes C A , Jope R S . The multifaceted roles of glycogen synthase kinase 3beta in cellular signaling.[J]. Progress in Neurobiology, 2001, 65(4):391-426.

[2] Takashima A . GSK-3 is essential in the pathogenesis of Alzheimer's disease.[J]. Journal of Alzheimers Disease, 2006, 9(3 Suppl):309-317.

[3]F Hernández, Borrell J , Guaza C , et al. Spatial learning deficit in transgenic mice that conditionally over-express GSK-3beta in the brain but do not form tau filaments.[J]. Journal of Neurochemistry, 2010, 83(6):1529-1533.

[4] Tetsuya K , Shunji Y , Shinobu N , et al. GSK-3β Is Required for Memory Reconsolidation in Adult Brain[J]. PLoS ONE, 2008, 3(10):e3540-.

[5] Hoeflich K P , Luo J , Rubie E A , et al. Requirement for glycogen synthase kinase-3beta in cell survival and NF-kappaB activation.[J]. Nature, 2000, 406(6791):86-90.

[6] Frame S , Cohen P . GSK3 takes centre stage more than 20 years after its discovery[J]. Biochemical Journal, 2001, 359(1):1-16.

[7] He F , Popkie A P , Xiong W , et al. Gsk3β is required in the epithelium for palatal elevation in mice[J]. Developmental Dynamics, 2010, 239(12).