(A) novel perspective on the treatment of sarcopenia : the role of primary cilia induced by actin depolymerization in myoblasts = 노인성 근감소증 치료를 위한 근원세포의 일차섬모의 형성 조절 기전 및 역할 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This dissertation explores molecular mechanisms underlying sarcopenia, an age-related skeletal muscle disorder. It focuses on the emerging multiple roles of primary cilia such as muscle fusion, contraction, and myelination. A key theme is how ciliogenesis is regulated, and what function cilia serve in modulating critical muscle cell processes.
First, it investigates how decreased expression of ADSSL1, a muscle-specific enzyme, contributes to sarcopenia. The findings suggest ADSSL1 induces autophagy-mediated actin depolymerization, facilitating myoblast fusion via primary cilia formation. Next, it reveals ACOX3 enzyme activity likely coordinates actin remodeling and ciliogenesis to influence muscle contraction. Finally, it demonstrates muscle cell primary cilia communicate with Schwann cells through extracellular matrix proteins like FBLN5 to support nerve myelination and muscle function.
Together, these studies position primary cilia as crucial integration hubs connecting signals from diverse biochemical, structural and functional pathways to coordinate muscle cell fusion, force generation and nerve interactions. Enhancing primary cilia signaling mechanisms may enable new therapeutic approaches to preserve muscle strength during aging. Further elucidating the detailed molecular interplay driving these cilia-mediated muscle maintenance processes will help translate these findings into targeted treatments for sarcopenia. Overall, by highlighting muscle cell primary cilia as essential for diverse aspects of muscle integrity, this dissertation opens exciting research avenues to sustain mobility in aging populations.

국문 초록 (Abstract)

우리 모두는 나이가 들어 감에 따라 자연스러운 신체적 변화를 겪게 된다. 이러한 변화는 근육 감소, 뼈 밀도 감소, 인지 기능 저하 등의 형태로 나타날 수 있는데, 그 중 근육의 감소는 60세 이후부터 더욱 가속되어 1년에 2~3%의 근육 감소를 보인다. 이렇게 노화에 의한 근육량의 급격한 감소와 근육 기능의 저하되는 상태를 근감소증(sarcopenia)이라고 한다. 노인성 근감소증은 독립보행의 장애를 일으킬 뿐만 아니라 기초대사율을 저하시켜 인슐린 저항성을 높이고 당뇨, 비만, 심혈관 질환 등 2차 노인성 만성질환을 유발한다. 노인성 근질환은 노화에 의한 만성염증 상태로 인해 근원세포의 융합이 억제되어 근육의 항상성이 유지되지 못하고 근섬유가 빠르게 소실돼 치료가 더욱이 어렵다. Sarcopenia의 근본적인 치료법은 알려져 있지 않으며, 현재의 치료는 각 개인에게 나타나는 특정 증상의 완화 및 보조기구의 사용 정도임Sarcopenia의 분자적 기전 규명과 해당 질환에 대한 더 깊은 이해를 바탕으로 한 근본적인 치료 방안이 몹시 필요한 실정이다.
앞서 다른 연구진들은 동물 모델을 사용한 노화 유전자 발현 연구에서는 최대 75%의 유전자 발현이 노화와 관련될 수 있다는 것을 발견했다. 연구에 따르면 후성유전학적 시계(Epigenetic Clocks)가 빠른 사람은 생물학적으로 더 빨리 노화를 겪는다고도 알려진 것을 본다면, 근감소증과 관련된 유전자 발현의 변화를 이해하고, 더 나아가 노화유전자를 발굴하고 기전을 이해하는 것은 근감소증 치료에 새로운 패러다임을 제시할 것이라는 것을 시사한다.
본 학위 논문은 근육의 양과 기능 유지에 관련된 새로운 기전을 탐구하고 있으며, 가장 먼저 근육 특이적 효소인 아데닐로숙신산의 발현 감소가 근감소증에 어떻게 기여하는지를 조사하였다. 아데닐로숙신산의 발현 양은 근감소증과 상관관계를 보였으며, 아데닐로숙신산의 억제는 근원세포인 C2C12세포의 근육 융합을 방해하여 근육 유지에 중요한 인자임을 확인하였다. 뿐만 아니라, 아데닐로숙신산은 자가포식작용 유도를 통해 액틴의 탈중합을 유도하고, 결과적으로 일차섬모를 통한 근세포의 융합 촉진이라는 새로운 역할 밝혔다. 다음으로는, 근원세포의 일차섬모가 근육의 형성뿐만 아니라, ACOX3 효소 활성이 액틴 리모델링과 섬모 형성을 유도하여 근육 수축 조절기전의 가능성을 확인하였다. 마지막으로 근세포의 원발성 섬모가 RGD motif를 가지는 단백질들을 세포외소체의 형태로 분비한다는 것을 확인하였으며, 이러한 셀 간의 커뮤니케이션은 세포외 매트릭스 단백질을 통해 슈완세포로 미엘린화 신호를 전달하며 근육으로의 신경 신호 전달을 지원한다는 확인하였다.
이를 종합하면, 근육세포의 일차섬모는 다양한 경로로 부터 오는 신호를 통합하여 근육의 중량을 유지하고 기능을 조절한다. 일차 섬모는 세포 내의 액틴 탈중합 반응으로 형성이 촉진되며 근세포 융합, 운동성 기능, 신경 전달 조절하는 구조적, 생화학적 신호 전달을 가능하게 합니다. 이러한 다양한 측면의 조절 기전은 복잡한 노화성 근감소증을 표적할 수 있을 것으로 기대된다. 여전히 액틴 역학, 섬모 생성 및 근육 조절의 경로를 연결하는 정확한 분자 현상에 대한 추가적인 조사가 필요하지만, 그럼에도 불구하고, 이 논문은 일차 섬모 신호가 여러 측면에서 근육 유지에 필수적인 중요성을 확인하였고, 이는 노화성 근감소의 발병 억제 및 치료에 새로운 패러다임을 제시할 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• CONTENTS 1
• LIST OF TABLES 7
• LIST OF FIGURES 8
• ABSTRACT 10
• Chapter. 1 INTRODUCTION 12
• 1.1 Overview 12
• 1.2 Sarcopenia 13
• 1.2.1 Symptom and treatment of sarcopenia 13
• 1.2.2 Altered gene expression of muscle cells in aging 14
• 1.2.3 Defect of myoblast fusion in sarcopenia 15
• 1.3 Primary cilia 17
• 1.3.1 Primary cilia and their association with aging 17
• 1.3.2 Role of primary cilia in muscle 18
• 1.3.3 Dynamic of primary cilia during myogenesis 19
• 1.4 Actin dynamics 20
• 1.4.1 Structure and function of Actin cytoskeleton 20
• 1.4.2 Age-related Changes to Actin Cytoskeleton 20
• 1.4.3 Roles of actin on ciliary organization and function 21
• 1.5 Summary 23
• Chapter. 2 Investigation into the mechanism underlying Sarcopenia inhibition via primary cilia through actin depolymerization 25
• 2.1 Introduction 26
• 2.2 Materials and Methods 28
• 2.3 Results 35
• 2.3.1 Decrease of ADSSL1 is associated with sarcopenia 35
• 2.3.2 Loss of ADSSL1 impedes myogenic fusion 38
• 2.3.3 Adssl1 promotes the onset of autophagy 41
• 2.3.4 Adssl1-mediated Autophagy leads to the depolymerization of actin 43
• 2.3.5 Primary cilia formed through actin rearrangement play a role in muscle fusion 46
• 2.4 Discussion 50
• Chapter. 3 Regulation of Muscle Function through Actin Depolymerization-driven primary cilia 52
• 3.1 Introduction 53
• 3.2 Materials and Methods 55
• 3.3 Results 60
• 3.3.1 Knockout of ACOX3 60
• 3.3.2 Loss of ACOX3 results in defect of muscle contraction in smooth muscle 62
• 3.3.3 The oxidative enzyme activity of ACOX3 contributes to the contractile function of muscle cells 65
• 3.4 Discussion 69
• Chapter. 4 Regulation of Peripheral Nerve System Myelination through Primary Cilia of Myoblasts 71
• 4.1 Introduction 72
• 4.2 Materials and Methods 74
• 4.3 Results 81
• 4.3.1 Primary cilia of myoblasts secrete RGD-motif proteins to Schwann cells 81
• 4.3.2 Fibulin 5 stimulates lamellipodia formation of Schwann cell 83
• 4.3.3 FBLN5 is involved in the myelination of SC 86
• 4.3.4 FBLN5-Integrin signaling regulates myelination through RAC1 activation in Schwann cells 89
• 4.3.5 FBLN5 effectively alleviates demyelinating peripheral neuropathy 94
• 4.4 Discussion 97
• Chapter. 5 DISCUSSION 100
• 5.1 Investigating the Role of ADSSL1-Mediated Autophagy in Muscle Maintenance via Actin Dynamics and Primary Cilia Formation 100
• 5.2 The Role of ACOX3 Enzyme Activity in the Regulation of Smooth Muscle Contraction and Ciliogenesis: Exploring its Potential as a Modulator 103
• 5.3 The impact of muscle cell cilia on Schwann Cell myelination through ECM proteins 105
• 5.4 From myoblast fusion to myelination: primary cilia coordinate diverse aspects of muscle cell function to inhibit sarcopenia 107
• Chapter. 6 REFERENCES 110
• ABSTRACT (IN KOREAN) 127