STAT3 마우스 모델을 이용한 면역 및 염증 연구

Cyagen Technical Content Team | August 16, 2025

Stat3-KO(C57BL/6JCya-Stat3em1/Cya) 마우스 모델

Stat3-KO(C57BL/6JCya-Stat3em1/Cya) 마우스 모델. 주요 유전적 특징: 전통적 Stat3 녹아웃. 배경 유전자: C57BL/6JCya. 암 및 섬유화 연구를 지원합니다. 이 모델에 대해 자세히 알아보기.

콘텐츠

01. Mut-Stat3 마우스 02. 최신 연구 진전 03. 요약: STAT3 전유전자 마우스 모델 및 미래 연구 04. 참고문헌

Mut-Stat3 마우스

STAT3의 돌연변이는 자가도적 우성(AD) 형태의 고면역글로불린 E 증후군(HIES)의 원인을 차지한다. STAT3는 면역세포에서 중요한 역할을 하므로, 이 질환에서 골수간엽줄기세포 이식(HSCT)은 합리적인 치료 전략이 될 수 있다. 그러나 STAT3는 비혈액세포에서도 중요한 기능을 하며, Stat3의 생식세포 전사부전에 따른 치명성으로 인해 STAT3의 다양한 기능을 해부하는 데 한계가 있다.^[1] 따라서 HIES에 대한 HSCT의 효과를 예측하는 것은 어렵다.

HIES와 관련된 혈액세포 및 비혈액세포 내 STAT3의 중요성을 처음으로 해명하기 위해 Scott M. Steward-Tharp 및 동료들은 이 질환의 마우스 모델을 개발하였다. 그들은 이 전유전자 마우스가 HIES의 여러 특징을 재현함을 발견하였으며, 혈청 IgE 수치 상승 및 Th17 세포 생성 실패를 포함하며, 이 마우스는 박테리아 감염에 취약하였고, 일부는 정상형 골수를 이용한 HSCT로 개선됨을 확인하여, 상피세포가 HIES의 병리생리학에서 중요한 역할을 함을 강조하였다.

mut-S3 전유전자 마우스의 생성

BAC 전유전자를 수정된 185-kb 마우스 BAC( RP24-236G5)에 포함된 마우스 Stat3 유전자를 이용하여 구성하였다. 동질성의 2개의 팔(각각 약 500bp)을 포함하는 1-kb 구조물을 pSV1-RecA 셔틀 벡터에 리가스하여, RP24-236G5 BAC를 발현하는 DH10B-감수성 세포에 도입하였다. 동질성 구조물 내부 및 외부의 프라이머를 사용한 중합효소 연쇄 반응(PCR)을 통해 삭제의 적절한 삽입 및 최종 세균 선택(클로람페니콜/푸사리산 배지)을 모니터링하였다. 삭제는 Stat3 엑손 15의 마지막 코돈에서 시작하여 엑손 16의 5' 끝까지 1,163bp의 DNA 조각을 포함하며, 엑손 15의 마지막 7개 남은 코돈에 침묵형 돌연변이를 포함하여 WT 및 변이형 전사체의 특이적 증폭을 가능하게 하였다.^[1]

그림 1. 인간 AD-HIES의 핵심 특징을 재현하는 마우스 모델의 생성. RP24-236G5 BAC 내 마우스 Stat3 유전자 표시. STAT3 DNA 결합 도메인의 일부를 코딩하는 엑손 15 및 16이 강조되어 있다. HIES 환자에서 관찰된 돌연변이를 기반으로, BAC는 결합 도메인 내 밸린 463의 삭제를 수정하였다(정상형 PVVVI에서 변이형 PVVI로). (A). ^[1]

STAT3의 추가적 역할

추가적 발견은 STAT3가 혈액세포 및 상피세포 기능을 통해 숙주 방어를 유지하고 염증 반응을 제한하는 데 중요한 역할을 한다는 것을 시사하였다.^[2] Stat3의 완전한 제거(동형접합 녹아웃)를 가진 마우스 배아는 자궁 내에서 사망한다. 이와 관련하여, 우성 작용을 하는 Stat3 돌연변이를 가진 환자군의 발견은 예상치 못한 일이었다.^[3] 이 발견은 이러한 환자 존재가 STAT3 기능의 부분적 손상에 기인할 수 있는지, 또는 이전에 다른 주요 사이토카인 신호 전달 유전자인 Jak3에서 관찰된 바와 같이 종에 따라 STAT3 기능의 차이가 존재하는지에 대한 질문을 즉각 제기하였다.^[4] 이러한 문제를 해결하기 위해 연구진은 HIES의 마우스 모델을 개발하기 시작하였다. 본 연구에서, 환자 유래 변이형 알레르를 지배적 음성 방식으로 발현함으로써 전통적인 다계통 HIES를 재현하였다.^[3] 이 맥락에서, 기존의 생식세포에서 Stat3를 완전히 제거한 모델과 대조된다.^[5] 질환은 STAT3 기능의 손상된 상태이지만 완전한 소실은 아니라는 점에서 가장 잘 설명될 수 있다. mut-Stat3 마우스는 HIES 환자에서 관찰되는 특징을 다수 보였으며, 특히 Th17 분화 저하 및 안정 상태에서 IgE 조절 이상이 포함된다.

그림 2. 정상적인 B세포 발달, 그러나 mut-Stat3 마우스에서 혈청 IgE 상승. (A) mut-Stat3 및 WT 마우스로부터 분리된 골수세포의 흐름세포분석. 인구집단은 다음과 같이 정의됨: 전-B [B220lowCD25−IgM−], 전-전-B [B220lowCD25+IgM−], 미성숙(Imm.) [B220lowCD25−IgM+], 재순환(Rec.) [B220hiIgM+]. 인구집단은 B200low 세포의 백분율(상단 행) 또는 골수당 절대 세포 수(하단 행)로 표현됨. N = 7, 유의미하지 않음(ns): P > .05. 사망세포는 DAPI 염색을 통해 분석에서 제외됨. (B) 8~15주령의 나이 든 WT 및 mut-Stat3 마우스에서 혈청 면역글로불린 수치를 ELISA로 측정함 (N = 23). (C) WT 및 mut-Stat3 마우스에 대해 복강 주사로 Schistosoma mansoni 용해란 알레르겐을 투여한 후 3주 후 혈청 Schistosoma mansoni 용해란 알레르겐 특이 면역글로불린 수치를 ELISA로 측정함. 3개의 독립 실험 중 대표적인 결과를 보여줌 (각 실험 N = 4). ^[1]

최신 연구 진전

STAT3 신호전달은 매크로파지에서 HIF1α 발현을 지원한다

Gun-Dong Kim 및 동료들은^[6] STAT3 신호전달이 매크로파지에서 HIF1α 및 관련 유전자 발현 조절에 관여함을 발견하였다. 매크로파지에서 HIF1α 발현을 지원하는 신호전달 사건을 규명하기 위해, 정상형 마우스 골수 유래 매크로파지(BMDMs)를 리포폴리사카라이드(LPS) 또는 인터페론(IFN)-γ로 각각 자극하고, 전체 단백질 추출물을 웨스턴 블롯 분석에 사용하였다.

그림 3. STAT3 신호전달은 매크로파지에서 저산소 유도 인자-1α(HIF1α) 발현을 지원한다. A–D: 정상형 마우스 골수 유래 매크로파지(BMDMs)를 100 ng/mL 리포폴리사카라이드(LPS) 또는 10 ng/mL 인터페론(IFN)-γ로 0~6시간 처리함. A 및 B: HIF1α 단백질(A) 및 mRNA(B) 발현 수준은 각각 웨스턴 블롯 분석 및 RT-qPCR로 분석함. C 및 D: STAT1(C) 및 STAT3(D)의 발현 및 인산화 상태는 웨스턴 블롯으로 분석함. E: 정상형 마우스 BMDMs를 siControl, siStat1 또는 siStat3 siRNA로 전이시킴. 이 세포들은 100 ng/mL LPS 또는 10 ng/mL IFN-γ로 4시간 자극함. 전체 단백질 추출물을 웨스턴 블롯 분석을 통해 HIF1α 단백질 발현을 분석함. F 및 G: 정상형 및 지배적 음성 변이형-Stat3 마우스 BMDMs를 100 ng/mL LPS 또는 10 ng/mL IFN-γ로 4시간 자극함. F 및 G: HIF1α mRNA(F) 및 단백질(G) 발현은 각각 RT-qPCR 및 웨스턴 블롯 분석으로 분석함. D–F: 데이터는 분산분석 후 Bonferroni 사후 검정을 통해 분석함. 값은 평균 ± 표준편차(표준편차)(B 및 F)로 표기됨. n = 4(C–G). ∗∗P < 0.01, ∗∗∗P < 0.001. PBS, 인산염 완충 용액; pSTAT, 인산화된 STAT. ^[6]

그림 4. STAT3–저산소 유도 인자-1α(HIF1α) 축은 매크로파지에서 염증 유전자 발현을 조절한다. A: RAW264.7 세포는 제어 또는 Stat3 전용 siRNA를 포함한 HIF1α 프로모터를 조절하는 루시페라제 보고자 구조물로 전이시킴. 이 세포들은 6시간 동안 리포폴리사카라이드(LPS) 또는 인터페론(IFN)-γ로 자극하고, 세포 용해액을 루시페라제 활성 분석에 사용함. B: 정상형 마우스 골수 유래 매크로파지에 LPS 또는 IFN-γ로 자극하고, anti-STAT3 항체를 이용하여 Hif1α 프로모터(−1041 ~ −1051)에 대한 크로마틴 면역침전 분석을 수행함. C–F: RAW264.7 세포는 Stat3 전용 siRNA 또는 산소 안정형 ΔHIF1α 플라스미드를 함께 전이시킨 후 100 ng/mL LPS로 5시간 자극함. C–F: 이 실험의 전체 RNA는 RT-qPCR을 통해 Il1α(C), Il1β(D), Icam1(E), Serpine1(F)의 발현을 평가함. 데이터는 분산분석 후 Bonferroni 사후 검정을 통해 분석함. 값은 평균 ± 표준편차(A–F)로 표기됨. n = 3(A 및 B); n = 4(C–F). ∗∗P < 0.01, ∗∗∗P < 0.001. PBS, 인산염 완충 용액. ^[6]

요약: STAT3 전유전자 마우스 모델 및 미래 연구

이전 연구들은 STAT3 신호전달이 VSMC 이동 및 혈관 벽 리모델링에 관여함을 시사하였다.^[7-8] 이 맥락에서, 본 연구는 STAT3 신호전달 억제가 매크로파지에서 사이토카인 유도 HIF1α 및 관련 유전자 발현을 감소시킴을 보여주었다. 요약하면, 분자 수준에서 염증 유도제는 STAT3 신호전달을 이용하여 매크로파지에서 HIF1α 발현을 증가시켰다. 또한, STAT3 신호전달 억제는 매크로파지에서 HIF1α 및 관련 타겟 유전자 발현을 현저히 감소시켰다.^[6]

Stat3 마우스 모델의 가능성과 응용은 무한하다. 이들은 자가도적 우성 고면역글로불린 E 증후군(AD-HIES), 대형 과립 림프구성(LGL) 및 기타 질환에 대한 비할 데 없는 유전자 치료 접근법을 제공한다. 그러나 이러한 놀라운 기능에 대해 아직 배워야 할 점이 많다. Cyagen이 마우스 모델의 기능과 생명 구조 치료를 제공할 수 있는 방법을 더 이해할수록, 생물의학 연구에 미치는 영향은 더욱 커질 것이다.

STAT3 연구를 지원하기 위해, Cyagen MouseAtlas 라이브러리에는 Stat3 녹아웃 마우스가 포함되어 있으며, 고객의 필요에 따라 맞춤형 서비스를 제공할 수 있습니다.

참고문헌

[1] Steward-Tharp SM, Laurence A, Kanno Y, Kotlyar A, Villarino AV, Sciume G, Kuchen S, Resch W, Wohlfert EA, Jiang K, Hirahara K, Vahedi G, Sun HW, Feigenbaum L, Milner JD, Holland SM, Casellas R, Powrie F, O'Shea JJ. A mouse model of HIES reveals pro- and anti-inflammatory functions of STAT3. Blood. 2014 May 8;123(19):2978-87. doi: 10.1182/blood-2013-09-523167. Epub 2014 Mar 14. PMID: 24632714; PMCID: PMC4014840.

[2] Murray PJ. Understanding and exploiting the endogenous interleukin-10/STAT3-mediated anti-inflammatory response. Curr Opin Pharmacol. 2006 Aug;6(4):379-86. doi: 10.1016/j.coph.2006.01.010. Epub 2006 May 18. PMID: 16713356.

[3] Minegishi Y, Saito M, Tsuchiya S, Tsuge I, Takada H, Hara T, Kawamura N, Ariga T, Pasic S, Stojkovic O, Metin A, Karasuyama H. Dominant-negative mutations in the DNA-binding domain of STAT3 cause hyper-IgE syndrome. Nature. 2007 Aug 30;448(7157):1058-62. doi: 10.1038/nature06096. Epub 2007 Aug 5. PMID: 17676033.

[4] O'Shea JJ, Husa M, Li D, Hofmann SR, Watford W, Roberts JL, Buckley RH, Changelian P, Candotti F. Jak3 and the pathogenesis of severe combined immunodeficiency. Mol Immunol. 2004 Jul;41(6-7):727-37. doi: 10.1016/j.molimm.2004.04.014. PMID: 15220007.

[5] Takeda K, Noguchi K, Shi W, Tanaka T, Matsumoto M, Yoshida N, Kishimoto T, Akira S. Targeted disruption of the mouse Stat3 gene leads to early embryonic lethality. Proc Natl Acad Sci U S A. 1997 Apr 15;94(8):3801-4. doi: 10.1073/pnas.94.8.3801. PMID: 9108058; PMCID: PMC20521.

[6] Kim GD, Ng HP, Chan ER, Mahabeleshwar GH. Macrophage-Hypoxia-Inducible Factor-1α Signaling in Carotid Artery Stenosis. Am J Pathol. 2021 Jun;191(6):1118-1134. doi: 10.1016/j.ajpath.2021.03.008. Epub 2021 Mar 19. PMID: 33753024; PMCID: PMC8176143.

[7] Potula HS, Wang D, Quyen DV, Singh NK, Kundumani-Sridharan V, Karpurapu M, Park EA, Glasgow WC, Rao GN. Src-dependent STAT-3-mediated expression of monocyte chemoattractant protein-1 is required for 15(S)-hydroxyeicosatetraenoic acid-induced vascular smooth muscle cell migration. J Biol Chem. 2009 Nov 6;284(45):31142-55. doi: 10.1074/jbc.M109.012526. Epub 2009 Sep 7. PMID: 19736311; PMCID: PMC2781513.

[8] Singh NK, Wang D, Kundumani-Sridharan V, Van Quyen D, Niu J, Rao GN. 15-Lipoxygenase-1-enhanced Src-Janus kinase 2-signal transducer and activator of transcription 3 stimulation and monocyte chemoattractant protein-1 expression require redox-sensitive activation of epidermal growth factor receptor in vascular wall remodeling. J Biol Chem. 2011 Jun 24;286(25):22478-88. doi: 10.1074/jbc.M111.225060. Epub 2011 May 2. PMID: 21536676; PMCID: PMC3121393.

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