Pdk1 Knockout(KO) 마우스가 보여주는 다기관 표현형과 연구 활용

Pdk1 Knockout(KO) 마우스가 보여주는 다기관 표현형 개요

Pdk1(3-phosphoinositide-dependent protein kinase 1)은 세포 성장, 생존, 대사, 면역 반응 등 다양한 생명현상에 관여하는 키나아제이다. Knockout(KO) 마우스에서 관찰되는 표현형을 살펴보면, Pdk1 결손은 배아 발생, 면역계, 간 대사, 신경발생에 연쇄적인 영향을 미친다는 점을 확인할 수 있다.

이 글에서는 Pdk1 전신 Knockout(KO) 및 조직 특이적 조건부 녹아웃(cKO) 마우스 연구 결과를 바탕으로, Pdk1이 다기관 항상성 유지에 어떻게 관여하는지 배아 발생, T 세포 분화, 간 기능, 피질 인터뉴런의 관점에서 정리한다.

배아 발생에서 Pdk1의 필수성

연구에 따르면 Pdk1 유전자를 완전히 결손시킨 마우스 배아는 배아 발생 9.5일 무렵 성장이 멈추고 사망하며, 여러 중증 발생 이상을 보인다. 이러한 배아에서는 체절 결손, 전뇌 발생의 뚜렷한 이상, 신경능 유래 조직의 결손이 관찰되었다.

반면 완전 결손이 아니라 Pdk1 발현량이 낮은 hypomorphic 마우스는 배아기를 지나 생존하는 경우가 있다. 그러나 성장 발달은 크게 억제되어 야생형 마우스보다 현저히 작고, 모든 장기의 부피가 평균 40%~50% 감소한다. 이는 Pdk1이 배아 생존뿐 아니라 세포 크기, 장기 발생, 개체 성장 조절에 중요한 분자임을 보여준다[1].

그림 1. Pdk1 마우스 교배 결과[1]

면역계에서 Pdk1의 역할

면역계 항상성은 병원체 제거와 과도한 면역 반응 억제라는 두 축의 균형으로 유지된다. Pdk1은 이러한 조절 네트워크의 핵심 노드이며, Pdk1 결손은 T 세포 계통의 주요 아형에 뚜렷한 영향을 준다.

Tfh 세포 분화에 미치는 영향

여포 보조 T 세포(Tfh)는 B 세포의 증식과 분화, 형질세포 형성, 특이 항체 생성, 배중심 반응 유지에 관여한다. 바이러스 감염으로 유도되는 자연 면역 반응과 단백 항원 면역으로 유도되는 적응 면역 반응 모두에서, Pdk1 결손 마우스는 Tfh 세포의 초기 분화와 후기 기능 유지에 결함을 보인다. 그 결과 배중심 반응이 약화되고 특이 항체 생성도 크게 감소한다[2].

Treg 세포 생존과 면역 관용에 미치는 영향

조절 T 세포(Treg)는 과도한 면역 반응을 억제하고 면역 관용을 유지하는 세포 집단이다. Pdk1은 MEK-ERK-CD71 신호축을 통해 Treg 세포 내 철 항상성과 산화환원 균형을 조절한다. Pdk1이 결손되면 이 조절이 무너지고 활성산소종(ROS)이 축적되어 산화 스트레스와 세포 사멸이 유도된다. Treg 세포 감소는 면역 균형을 깨뜨려, 마우스에서 여러 조직과 장기의 만성 염증을 동반하는 치명적인 자가면역 병태로 이어질 수 있음이 제시되었다[3].

그림 2. PDK1+/+Foxp3Cre 및 PDK1fl/flFoxp3Cre 마우스의 외형, 생존곡선, 비장 및 말초 림프절 이미지[3]

대사 및 장기 기능에서의 Pdk1

발생과 면역 외에도 Pdk1은 대사 네트워크와 주요 장기 기능 유지에 관여한다. 특히 간과 뇌에서의 조직 특이적 Pdk1 결손은 장기 기능 장애와 연결되는 중증 표현형을 유발한다.

간: 당대사 항상성과 세포 생존 조절

간은 글리코겐 합성·저장·분해와 포도당신생합성을 통해 혈당 항상성을 유지하는 핵심 장기이다. 간 특이적 Pdk1 Knockout(KO) 마우스에서는 어린 시기부터 뚜렷한 포도당 불내성이 나타나며, 인슐린 감수성 저하, 인슐린 조절 하위 유전자 발현 이상, 간 글리코겐 저장량의 큰 감소가 관찰된다.

연령이 증가하면서 간 기능은 더 악화되고, 모든 Knockout(KO) 마우스가 4~16주령 사이 중증 간부전으로 사망했다. 병리학적으로는 간 섬유화와 간세포 괴사 등 전형적인 특징이 확인되었다[4]. 이 결과는 Pdk1이 간의 정상적인 대사 기능과 세포 생존 유지에 필수적임을 보여준다. 관련 대사 질환 모델 연구에서도 Pdk1 경로는 중요한 분석 대상이 될 수 있다.

그림 3. L-PDK1−/− 마우스에서 간부전의 생존율 및 특징 분석[4]

뇌: 피질 인터뉴런의 생존과 이동

대뇌피질의 인터뉴런은 흥분성 뉴런의 활동을 조절하고 신경 네트워크의 안정성을 유지하는 억제성 뉴런이다. 뇌에서 Pdk1이 결손되면 피질 인터뉴런의 세포사멸이 증가하며, 특히 내측 신경절 융기(MGE)와 꼬리쪽 신경절 융기(CGE)에서 유래한 여러 억제성 인터뉴런이 크게 감소한다.

기전 연구에서는 Pdk1이 AKT-GSK3β 신호 경로를 조절하여 인터뉴런의 생존과 이동에 영향을 주는 것으로 나타났다. Pdk1 결손으로 이 경로의 활성이 낮아지면 정상적인 신경 네트워크 구축이 방해받고, 학습·기억, 정서 조절 등 고차 신경 기능에도 장기적인 영향을 줄 가능성이 있다[5]. 이러한 관점은 신경질환 모델 제작과 기능 평가에도 관련된다.

그림 4. Pdk1 제거 후 출생 후 대뇌피질에서 피질 인터뉴런의 감소[5]

Pdk1 모델의 연구 활용과 관련 재고 모델

배아 발생, 면역 항상성, 대사 조절, 신경 네트워크 형성의 여러 단계에서 PDK1의 기능은 마우스 모델을 통해 체계적으로 검증되었다. 이러한 결과는 자가면역질환, 대사 질환, 신경발생 이상 등의 원인 규명뿐 아니라 치료 타겟 탐색과 신약 개발을 위한 실험 기반으로도 중요하다.

싸이아젠(Cyagen)의 Pdk1 전신 Knockout(KO) 및 조건부 녹아웃(cKO) 마우스 모델은 복잡한 질환 기전 분석과 혁신 치료법 개발을 지원하는 연구 도구로 활용될 수 있다.

싸이아젠 관련 재고 모델

참고문헌

1. LAWLOR M A, MORA A, ASHBY P R, et al. Essential role of Pdk1 in regulating cell size and development in mice[J]. EMBO Journal, 2002, 21(14): 3728-3738. https://doi.org/10.1093/emboj/cdf387; PMCID: PMC126129; PMID: 12110585
2. SUN Z, YAO Y P, YOU M H, et al. The kinase PDK1 is critical for promoting T follicular helper cell differentiation[J]. eLife, 2021, 10: e61406. https://doi.org/10.7554/eLife.61406; PMCID: PMC7889074; PMID: 33595435
3. FENG P, YANG Q L, LUO L, et al. The kinase PDK1 regulates regulatory T cell survival via controlling redox homeostasis[J]. Theranostics, 2021, 11(19): 9503-9518. https://doi.org/10.7150/thno.63992; PMCID: PMC8490516; PMID: 34646383
4. MORA A, LIPINA C, TRONCHE F, et al. Deficiency of PDK1 in liver results in glucose intolerance, impairment of insulin-regulated gene expression and liver failure[J]. Biochemical Journal, 2005, 385(Pt 3): 639-648. https://doi.org/10.1042/BJ20041782; PMCID: PMC1134738; PMID: 15554902
5. WEI Y J, HAN X N, ZHAO C J. PDK1 regulates the survival of the developing cortical interneurons[J]. Molecular Brain, 2020, 13(1): 65. https://doi.org/10.1186/s13041-020-00604-6; PMCID: PMC7208766; PMID: 32375193

MouseAtlas와 싸이아젠(Cyagen)의 연구 지원

싸이아젠(Cyagen) 소개:

싸이아젠(Cyagen) Biosciences Inc.는 2006년에 의약품 개발 수탁연구기관 및 세포 관련 제품 제조기업으로 설립되었습니다. 현재 전 세계적으로 1,000명 이상의 직원이 근무하고 있습니다. 본사는 미국 캘리포니아 실리콘밸리에 있으며, 중국 쑤저우와 광저우에 생산 거점을 두고 있습니다. 2016년에는 일본 지사인 사이아젠 주식회사를 설립했습니다. 유전자 변형 동물모델 제작 분야의 선도 기업으로서 합리적인 가격대의 고품질 시약과 연구 도구를 제공하고 있습니다. 또한 마우스 모델 제공뿐 아니라 안과, 신경과학, 종양면역 등 다양한 분야에서 CRO 서비스도 제공하고 있습니다. 당사는 유전질환 연구를 지원하고 유전자치료제 개발을 촉진하는 것을 목표로 하고 있습니다.

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