Uncovering genetic and epigenetic mechanisms of disease resistance in Parkinson’s risk carriers

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Numerous genetic risk factors for Parkinson's disease (PD), including GBA1, LRRK2, and SNCA have been identified in previous studies. However, not all individuals carrying these mutations develop PD, suggesting the presence of protective mechanisms that confer resistance. To better understand this phenomenon, we investigate the genetic and epigenetic factors that contribute to disease resistance in individuals with known PD risk factors.
An in-depth analysis was conducted on induced pluripotent stem cells (iPSCs) derived dopaminergic neurons from five groups: healthy controls, GBA1 N370S mutants (with and without PD), and LRRK2 G2019S mutants (with and without PD). Three independent analyses approaches were employed: RNA sequencing (RNA-seq), ATAC-seq, and genome-wide CRISPR screening using a α-Synuclein-BiFC platform, aimed at identifying PD-resistance genes and their underlying mechanisms.
A combined multi-omics analysis highlighted CD58, WIF1, and H6PD as key regulators in PD-resistance mechanisms. Notably, H6PD was significantly downregulated in both human and animal PD models and was found to play a critical role in modulating α-Synuclein (αSyn) aggregation; overexpression of H6PD reduced aggregation, while its inhibition and knockout enhanced aggregation. Additionally, H6PD overexpression in dopaminergic neurons restored the expression of genes downregulated in PD, illuminating potential molecular mechanisms underlying resistance to PD in mutation carriers.
These findings highlight the importance of genetic and epigenetic factors in influencing disease resistance in individuals carrying PD risk factors. The identification of H6PD and its role in regulating ER-related pathways offers new insights into the molecular mechanisms that may protect against PD development.

국문 초록 (Abstract)

파킨슨병의 유전적 위험 요인과 관련한 이전의 연구에서 GBA1, LRRK2, SNCA와 같은 유전자가 보고된 바 있다. 그러나 이러한 유전적 위험 요인을 가진 모든 사람들에게서 파킨슨병이 발병하는 것은 아니다. 이는 파킨슨병 저항성을 부여하는 보호 기전이 존재할 가능성을 시사한다. 본 연구에서는 이러한 현상을 더 잘 이해하기 위해, 파킨슨병의 유전적 위험 요인을 가진 사람들에서 질병 저항성에 기여하는 유전적 및 후성유전학적 요인들을 조사하고자 하였다. 이를 위해, 5개 집단(1. 건강한 대조군, 2. GBA1 N370S 변이를 가지고 파킨슨병에 걸리지 않은 집단, 3. GBA1 N370S 변이를 가지고 파킨슨병에 걸린 집단, 4. LRRK2 G2019S 변이를 가지고 파킨슨병에 걸리지 않은 집단, 5. LRRK2 G2019S 변이를 가지고 파킨슨병에 걸린 집단)의 유도만능줄기세포(iPSCs)에서 유래된 도파민성 뉴런을 비교 분석하였다. 이 연구에서는 RNA-seq, ATAC-seq 분석, 알파-시뉴클레인 응집체 모니터링 플랫폼(𝛼Syn-BiFC platform)을 이용한 CRISPR 스크리닝을 통해 질병 저항성 기전을 밝히고자 하였다. 다중 오믹스 분석 결과, CD58, WIF1, H6PD가 질병 저항성 기전의 주요 조절 인자로 밝혀졌다. 특히, H6PD는 인간 및 동물 파킨슨병 모델 모두에서 하향 조절되었으며, 알파-시누클레인 응집 조절에 중요한 역할을 하는 것으로 나타났다. H6PD의 과발현은 알파-시누클레인 응집을 감소시킨 반면, H6PD의 억제 및 녹아웃(knockout)은 응집을 증가시켰다. 또한, 도파민성 뉴런에서 H6PD의 과발현은 파킨슨병에서 하향 조절된 유전자들의 발현을 복원시켜, 돌연변이 보유자에서 파킨슨병 저항성의 잠재적인 분자 기전을 밝히는 데 중요한 단서를 제공한다. 본 연구 결과는 파킨슨병 위험 요인을 가진 개인의 질병 저항성에 영향을 미치는 유전적 및 후성유전적 요인, 특히, H6PD가 소포체 (Endosomal reticulum) 관련 경로를 조절하는 역할을 규명함으로써 파킨슨병 발병을 예방할 수 있는 분자 기전에 대한 새로운 통찰을 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. INTRODUCTION 1
• 1. Parkinson's disease (PD) 1
• 1) Key pathological features 1
• A. Alpha synuclein (Syn) 2
• B. Endoplasmic reticulum (ER) stress 3
• C. Others 6
• 2) The risk factors of PD 7
• A. GBA1 8
• B. LRRK2 10
• C. Others 13
• 2. Hexose-6-phosphate (H6PD) 14
• 1) The topology and enzymology of H6PD 14
• 2) The role of H6PD in ER stress 15
• 3) The role of H6PD in glucose metabolism 16
• Chapter 2. MATERIALS AND METHODS 19
• 1. Human embryonic stem cells (ESCs) and human induced pluripotent stem cells (iPSCs) 19
• 2. Plasmid construction 19
• 3. Cell culture and trransfection 20
• 4. Lentivirus preparation and trnasduction 21
• 5. Dopaminergic neuron differentiation 21
• 6. Immunocyto chemistry (ICC) 22
• 7. Image anlaysis 23
• 8. Mice 23
• 9. Tissue preparation 24
• 10. RNA isolation, cDNA synthesis, Quantitative real-time PCR 24
• 11. Western blot analysis 25
• 12. RNA sequencing and data analysis 26
• 13. ATAC-seq and data analysis 27
• 14. ATAC-seq Gene set enrichment analysis 28
• 15. Genome-wide CRISPR Cas9 screen in Syn BiFC SH-SY5Y 28
• 16. Data analysis for pooled CRISPR Cas9 screen 30
• 17. Candidate gene selection and STRING network analysis 30
• 18. Stereotaxic injection 30
• 19. Pole test 31
• 20. Grip-strength test 31
• 21. Rotarod test 31
• 22. Statistical analysis 32
• Chapter 3. RESULTS 33
• 1. Patient-derived PD model generation 33
• 2. Transcriptomic analysis of genetic PD vs. genetically unaffected 34
• 3. Chromatin accessibility differences between genetic PD and genetically unaffected 35
• 4. Genome-wide CRISPR-Cas9 Screen identifies regulators of αSyn aggregation 36
• 5. Candidate gene validation from three independent analyses 38
• 6. H6PD regulates αSyn aggregation 41
• 7. H6PD overexpression in LPD human iPSCs-derived dopaminergic neurons modulates gene expression pattern 42
• 8. Effect of H6PD overexpression on motor dysfunction induced by 6-OHDA 33
• Chapter 4. DISCUSSION 87
• REFERENCES 90
• 논문요약 106