Biological aging differentiates intranuclear chromatin dynamics via lamin A/C and cytoskeletal tension

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Aging is the time-dependent deterioration of cell function, resulting in the progression of chronic diseases including cancer, neurodegeneration, and cardiovascular disorders. For preventing aging-related diseases, we aimed to understand the underlying cellular mechanism of aging. As chromatin dynamics is one of the parameters that represent gene regulation and mechanical microenvironment around the nucleus, we expected the relationship between aging and chromatin dynamics can enlighten the causes of age-related diseases. We examined age dependent cellular phenotypes including the morphology of cell and nucleus. Next, we observed age dependent dynamics of chromatin. To find contributors to age dependent chromatin dynamics, we provided various ranges of mechanical strength to stimulate HDFs. We synthesized collagen-coated polyacrylamide hydrogels with varying stiffness to cells and monitor mechanical responses like chromatin dynamics, YAP localization and lamin A/C depending on biological aging. This research will accelerate a progress to develop the mechanism of aging and chromatin movement.

국문 초록 (Abstract)

생명의학의 관점에서 노화를 일으키는 원인이 무엇인지 밝혀내는 연구는 노화로 인한 질병의 질단, 예방, 치료 방법이 개발될 수 있기 때문에, 세포학적 관점에서 바라보는 노화의 특징을 살펴보는 것의 필요성이 대두되고 있는 실정이다. 핵막은 내핵막, 외핵막, 핵 라미나로 구성된다. 라민 단백질은 핵 라미나를 구성하는 주요 단백질로 핵막의 견고함을 유지시키는 데에 중요한 역할을 한다. 세포 핵의 특성에 크게 영향을 미치는 것은 A형 라민으로 이 단백질은 노화 연구에서 빼놓을 수 없는 단백질이다. 이를 바탕으로 라민 단백질과 노화세포들의 기능 저하 사이의 상관관계에 대한 연구는 진행된 적이 없어 관련 연구는 추후 노화 현상 메커니즘 규명에 큰 기여를 할 것이다. 세포의 미세환경에서 기인한 기계적인 자극이 세포 거동에 영향을 미칠 수 있는 중요한 요소임을 증명하는 연구들은 많다. 세포들은 막관통단백질, 세포골격, LINC 복합체, 핵막단백질을 통해 외부의 물리적 환경을 감지하고 각종 생명현상들을 조절한다. 기계생물학적 관점에서 세포의 기계적인 반응성은 결국 세포의 운명을 조절하게 되기에 중요한 역할을 하는데 이것이 노화에 따라 어떻게 달라지는 지 아직 관찰된 적이 없기 때문에 이에 대한 연구가 시급하다. 염색질 동역학은 유전자 조절과 유전적 안정성을 평가할 수 있는 척도 중 하나이다. 염색질 동역학은 나이에 따라 달라지는 DNA 회전효소(topoisomerase), DNA중합효소(DNA polymerase), 염색질 재구성 복합체(chromatin remodeling complex)의 활성에 영향을 받는다. 이는 곧 세포의 항상성을 조절하는 것과 연관이 된다. 따라서 본 연구에서는 기계생물학적 접근을 통해 기증자의 나이에 따라 다르게 추출한 인간진피섬유아세포를 단일세포수준에서 표현형들을 살펴보고 염색질의 동역학(Chromatin Dynamics)를 관찰한다. 또한 외부의 물리적 환경을 조절함으로써 노화에 따른 세포의 세포-세포외기질 간의 기계적 신호 감지(Mechanosensation) 저하 현상 관찰을 통해 기증자의 나이에 따라 달라지는 염색질 동역학을 조절하는 주요 요소가 무엇인지 대용량 세포 이미지 분석기술과 공초점 현미경을 통해 다면적으로 이해할 것이다.

목차 (Table of Contents)

• I. INTRODUCTION 1
• II. MATERIALS AND METHODS 3
• 2.1 Cell culture 3
• 2.2 Immunofluorescence microscopy 5
• 2.3 Plasmids and Transfection 6
• 2.4 TRF2-GFP Imaging and analysis 7
• 2.5 Fabrication of polyacrylamide gel 8
• 2.6 IF Quantification (HtCP) 10
• 2.7 Data processing and statistical analysis 11
• III. RESULTS AND DISCUSSION 12
• 3.1 Biological aging determines differential cell shape 12
• 3.2 Biological aging changes nuclear morphology 14
• 3.3 Intranuclear dynamics has age dependent changes 16
• 3.4 Aging determines lamin A/C expression, the key to control chromatin dynamics 20
• 3.5 Age dependent lamin A/C content can be regulated by substrate stiffness 22
• 3.6 YAP localization shows age dependent cytoskeletal tension and mechanosensation 25
• 3.7 The effect of actomyosin contractility and DNA damage on age dependent chromatin dynamics 30
• IV. CONCLUSION 36
• V. REFERENCES 39