MicroRNA Profiling and Modulation in the Central Auditory Pathway after Noise-Induced Hearing Loss = 소음성 난청 후 중추 청각 경로에서의 마이크로RNA 분석 및 조절

국문 초록 (Abstract)

소음성 난청(Noise-Induced Hearing Loss, NIHL)은 전 세계적으로 가장 흔한 감각신경성 난청 중 하나로, 산업 현장뿐만 아니라 일상적인 생활 환경에서도 빈번하게 발생한다. 기존 연구는 주로 와우 외 유모세포의 손상과 같은 말초 청각계 손상에 집중되어 있었으나, 최근에는 소음 노출이 중추 청각 경로에도 기능적 및 구조적 변화를 유발한다는 증거가 늘어나고 있다. 이러한 변화는 회복이 지연되거나 영구적인 청각 정보 처리 장애로 이어질 수 있으며, 그 결과 이명, 청각과민, 말소리 이해력 저하 등 다양한 만성 청각 질환이 발생할 수 있다. 따라서 중추 청각계에서의 분자 수준의 조절 기전을 규명하는 것은 소음성 난청의 효과적인 진단 및 치료법 개발에 핵심적이다.
마이크로RNA(miRNA)는 유전자 발현을 전사 후 단계에서 조절하는 짧은 비암호화 RNA로, 최근 신경 가소성, 세포 생존, 재생 및 염증 조절 등 다양한 신경생물학적 과정에 관여하는 조절자로 주목받고 있다. 본 연구는 이러한 miRNA가 소음성 청각 손상 후 중추 청각 경로의 회복 과정에서 어떤 역할을 하는지를 밝히고, miRNA가 진단 마커 혹은 치료 타겟으로 활용될 수 있는 가능성을 검증하고자 하였다.
연구는 6주령 수컷 Sprague Dawley 흰쥐를 대상으로, 115 dB SPL의 광대역 백색소음을 2시간 동안 노출시켜 급성 소음성 난청 모델을 구축하였다. 소음 노출 후 1일과 3일째에 각각 청각뇌간반응(Auditory Brainstem Response, ABR) 검사를 시행하였으며, 뇌에서 청각 정보를 처리하는 네 가지 주요 영역인 와우핵(Cochlear Nucleus, CN), 상올리브복합체(Superior Olivary Complex, SOC), 하구(Inferior Colliculus, IC), 청각피질(Auditory Cortex, AC)을 해부하여 각 부위의 miRNA 발현 양상을 Affymetrix miRNA 4.0 마이크로어레이로 분석하였다.
그 결과 총 13개의 miRNA가 시간 및 뇌 영역에 따라 유의미한 변화를 보였다. miRDB와 miRWalk를 이용한 타겟 유전자 예측 및 이후 GO(Gene Ontology) 기능 분석을 통해 CN에서 총 65개의 유의미한 생물학적 항목이 확인되었으며, 이 중 10개는 단백질 합성, 혈관 생성, 신경 발달 등과 관련된 기능이었다.
miRNA의 중추 변화가 혈액에서도 반영되는지를 확인하고자, 동일한 시점에 전혈을 수집하여 분석한 결과, 혈액에서는 총 52개의 miRNA가 유의미하게 변화하였고, 이 중 miR-148b-3p와 miR-3473은 뇌 조직에서도 변화가 관찰되었다. 그러나 발현 양상과 시점이 조직 간 상이하여 조직 특이적 반응 가능성이 제기되었다. 그럼에도 불구하고 타겟 유전자 분석 결과, 스트레스 및 생존 반응 관련, 시냅스 및 신경회로 재구성, 미토콘드리아 및 세포 소기관 조절, 단백질 합성 및 대사 조절 경로의 풍부화가 확인되어, 순환 miRNA가 중추 청각 손상 및 회복을 간접적으로 반영할 수 있는 비침습적 바이오마커가 될 가능성을 보여주었다.
후속 실험에서는 선택된 miRNA들(miR-200b-3p 억제제, miR-183-5p 및 miR-20b-5p 모방체)을 뇌실내 주입(intracerebroventricular, ICV)을 통해 전달하여 기능적 역할을 평가하였다. 그 결과, miR-20b-5p 모방체 투여군에서 ABR 역치 회복이 더 우수하고, 파형 진폭이 잘 보존되었으며, 조직학적으로는 외유모 세포 생존과 내유모 세포 시냅스(CtBP2) 보존이 향상된 것으로 나타났다. Western blot 분석에서는 3일차에 miR-20b-5p가 PTEN 단백질 발현을 감소시키는 경향을 보였으나, 이 변화는 통계적으로 유의미하지 않았다. 그러나 기존 문헌에 따르면 miR-20b-5p는 PTEN 관련 신경보호 신호 경로에서 조절자로 작용할 수 있음을 시사한다. 결론적으로, miRNA는 소음성 난청 후 중추 청각계에서 시간 및 영역 특이적으로 작용하여 손상의 예방에 기여할 수 있으며, 일부는 혈액에서도 검출되어 비침습적 진단 바이오마커로서의 가능성을 지닌다. 또한, miRNA의 조절을 통한 기능 보호 효과는 향후 치료 전략으로의 적용 가능성을 보여준다.
본 학위논문은 이러한 결과를 바탕으로, 중추 청각 손상에 대한 miRNA 기반의 분자 진단과 치료법 개발에 기여할 수 있는 과학적 근거를 제시하며, 청각 신경과학 분야에서 miRNA의 병태생리적 역할과 치료적 활용 가능성에 대한 통합적 이해를 제공하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Noise-Induced Hearing Loss (NIHL) is a common type of sensorineural hearing loss, occurring not only in industrial environments but also in everyday life. While previous studies have mainly focused on peripheral damage, such as outer hair cell loss, growing evidence shows that noise exposure also causes structural and functional changes in the central auditory pathway, leading to persistent auditory processing deficits like tinnitus, hyperacusis, and speech comprehension problems. Therefore, identifying molecular regulatory mechanisms in the central auditory system is vital for developing effective diagnostics and treatments.
MicroRNAs (miRNAs), small non-coding RNAs that regulate gene expression post-transcriptionally, have emerged as key modulators of neurobiological processes including synaptic plasticity, regeneration, and inflammation. This study aimed to investigate the role of miRNAs in recovery of the central auditory pathway after acoustic trauma and assess their diagnostic or therapeutic potential.
An acute NIHL model was created in 6-week-old male Sprague Dawley rats exposed to 115 dB SPL white noise for 2 hours. Auditory Brainstem Response (ABR) tests were performed on days 1 and 3 post-exposure. Four key regions—Cochlear Nucleus (CN), Superior Olivary Complex (SOC), Inferior Colliculus (IC), and Auditory Cortex (AC)—were dissected for miRNA profiling using Affymetrix miRNA 4.0 arrays.
Thirteen miRNAs showed significant time- and region-dependent changes. Target gene predictions using miRDB and miRWalk, followed by Gene Ontology (GO) enrichment analysis, identified a total of 65 significant terms in CN, among which 10 were related to processes such as protein synthesis, angiogenesis, and neural development.
To evaluate whether miRNA changes in the central auditory system are detectable in blood, whole blood was collected at the same time points. Among 52 significantly altered blood miRNAs, miR-148b-3p and miR-3473 also changed in brain tissues. However, expression patterns and timing differed between blood and brain, suggesting distinct tissue-specific responses. Nevertheless, target gene analysis revealed enrichment in pathways related to stress and survival responses, synaptic remodeling and neural circuit organization, mitochondrial and organelle regulation, and the control of protein synthesis and metabolism, suggesting that circulating miRNAs may serve as non-invasive biomarkers indirectly reflecting central auditory damage and recovery. In a follow-up study, selected miRNAs (miR-200b-3p inhibitor, miR-183-5p and miR-20b-5p mimics) were injected via intracerebroventricular (ICV) infusion to evaluate their functional roles. ABR results showed improved threshold recovery and preserved wave amplitudes in the miR-20b-5p mimic-treated group compared to control. Histological analysis confirmed better outer hair cell survival and greater preservation of inner hair cell synapses, as indicated by CtBP2 labeling, in the miR-20b-5p mimic-treated group. Western blot analysis showed that miR-20b-5p tended to decrease PTEN protein expression on day 3, although this change was not statistically significant, and according to previous literature, miR-20b-5p may act as a regulator in the PTEN-related neuroprotective signaling pathway. In conclusion, miRNAs act as region- and time-specific regulators in the central auditory system after NIHL, contributing to prevention of damage. Some miRNAs are also detectable in blood, supporting their potential as non-invasive diagnostic biomarkers. Functional protection through miRNA modulation suggests promising therapeutic applications, laying the foundation for molecular diagnostics and personalized treatments for central auditory system damage.

목차 (Table of Contents)

• Abstract
• Contents
• List of Figures
• List of Tables
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Study Background 1
• 1.2 Purpose of Research 5
• Chapter 2. Profiling of miRNA Alterations in the Central Auditory Pathway Following Noise-Induced Hearing Loss 6
• 2.1 Materials and Methods 6
• 2.2 Results 15
• Chapter 3. Blood miRNA Profiling to Identify Circulation Biomarkers Corresponding to Differentially Expressed miRNAs in Brain Regions After Noise-Induced Hearing Loss 28
• 3.1 Materials and Methods 28
• 3.2 Results 30
• Chapter 4. Validation of Candidate miRNAs Selected from the CN and IC for Their Diagnostic and Therapeutic Potential in Noise-Induced Hearing Loss 35
• 4.1 Materials and Methods 35
• 4.2 Results 50
• Chapter 5. Discussion and Conclusion 66
• 5.1 Profiling of microRNA Alterations in the Central Auditory Pathway Following Noise-Induced Hearing Loss 66
• 5.2 Blood microRNA Profiling to Identify Circulation Biomarkers Corresponding to Differentially Expressed miRNAs in Brain Regions After Noise-Induced Hearing Loss 73
• 5.3 Modulation of Auditory Function and Hearing Thresholds by miRNA Treatment After Noise Exposure 76
• 5.4 Conclusion 81
• Bibliography 83
• Supplementary Data 88
• Abstract in Korean 92