전사체 통합 분석 기반 노화 및 퇴행성 질환의 분자적 및 표현형적 특성 규명 = An Integrative Transcriptome Analysis for Molecular and Phenotypic Characterization of Aging and Degenerative Diseases

국문 초록 (Abstract)

노화는 생명체가 시간의 흐름에 따라 신체의 구조와 기능이 비가역적으로 퇴화하는 현상을 의미한다. 노화는 세포 노화, 세포 사이의 신호 전달 변화, 만성 염증을 포함한 12가지의 생물학적 특징을 가지고 있으며 다양한 요인들이 복합적으로 작용하여 노화 관련 질환을 유발한다. 최근 유전체, 전사체, 단백체 등을 포함한 다중 오믹스 데이터의 분석 방법과 시스템 생물학 기반 연구의 발전으로 노화의 분자 수준의 해석을 가능하게 하였으나 실제 노화 표현형의 오믹스 데이터의 통합 분석과 이를 체계적으로 해석하는 방법론에 대한 연구는 부족하다.
이에 본 연구는 노화 및 퇴행성 질환의 표현형을 대표하여 (1) 상처 치유 지연, (2) 모발 이상, (3) 고요산혈증을 중심으로 전사체 기반 통합 분석을 수행하였으며, 노화의 특징들을 다양한 생물학적 차원인 조직, 세포, 대사 네트워크 수준에서 포괄적으로 분석하여 노화 및 퇴행성 질환의 분자적 및 표현형적 특성을 탐구하고자 하였다.
첫째, 상처 치유 과정에서 아연의 역할을 탐구하기 위해 아연 마커 유전자 Metallothionein-1 (Mt1)을 기반으로 단일세포 전사체(scRNA-seq) 데이터를 분석하여, 피부 표피 내 Mt1⁺ 세포가 intra-follicular epidermis basal layer (IFE B)에 주로 존재함을 확인하였으며, Mt1⁺ 세포는 염증과 대사 관련 기능을, Mt1⁻ 세포는 증식과 조직 재생과 관련된 기능을 나타내었다. 이는 상처 회복 초기에는 아연 함유 세포가, 후기에는 아연 비함유 세포가 주로 관여함을 시사하며, 세포 노화에 따른 상처 재생 지연 현상의 분자적 이해에 기여한다.
둘째, 아연 수송체 ZIP13을 암호화하는 SLC39A13 유전자의 병리적 변이를 원인으로 발병하는 희귀 유전 질환인 spEDS (spondylodysplastic Ehlers–Danlos syndrome) 질환 모델에서 모발 이상과 같은 노화 유사 표현형이 관찰되었다. ZIP13 단백질의 결손에 따른 전사체 변화를 분석한 결과, p53 및 Smad4 전사인자 경로의 억제와 관련된 신호전달 이상이 확인되었으며, 이는 모발 품질 저하와 세포 크기 감소, 증식 이상과 연관됨을 제시한다. 이를 통해 ZIP13 기능 결손이 단순한 결합조직 이상을 넘어서 노화 유사 표현형을 유발함을 분자 수준에서 규명하였다.
셋째, 퇴행성 질환인 고요산혈증을 유도한 마우스 모델의 간 및 신장 조직을 대상으로 전사체 분석을 수행한 결과, 신장 조직에서 염증, 산화 스트레스 및 대사 조절과 관련된 유전자들이 변화되었으며, 이는 만성 염증을 중심으로 하는 병리적 특성이 고요산혈증의 분자적 특징임을 시사한다. 이후 과정으로 더 많은 공개된 오믹스 데이터를 분석하여 고요산혈증과 관련된 유전자 및 분자 기전을 규명하고자 하며, 노화의 주요 특징 중 하나인 만성 염증에 대한 분자적 이해를 제공하고 병리적 변화를 예측하는 연구에 활용될 수 있다.
본 연구는 세포 노화, 세포 신호 전달 변화, 만성 염증 등 노화의 주요 특징을 중심으로 세포-조직-대사 수준에서 다양한 노화 관련 질환들을 전사체 기반 오믹스 통합 분석 방법으로 이해하고자 노화 및 퇴행성 질환의 생물학적 특징을 규명하는 생물정보학 분석 전략을 제시하였다. 이는 향후 노화 생물학 및 노화 관련 질환 치료의 발전을 위한 기초 지식을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Aging is a complicated biological procedure defined by the gradual, progressive, and irreversible deterioration of structural and functional integrity in living organisms over time. It is defined by twelve hallmarks, including cellular senescence, altered intercellular communication, and chronic inflammation, which interact through complex molecular networks to promote age-related diseases. With the advancement of multi-omics technologies—such as genomics, transcriptomics, and proteomics—and systems biology approaches, the molecular mechanisms of aging have become more accessible. However, integrated omics analyses of actual aging phenotypes and systematic methodologies for their interpretation remain insufficiently explored.
Accordingly, the present study conducted transcriptome-based integrative analyses focusing on three representative aging- and degeneration-related phenotypes: (1) delayed wound healing, (2) hair abnormalities, and (3) hyperuricemia. The study aimed to characterize the molecular and phenotypic features of aging by analyzing transcriptomic alterations across tissue-, cellular-, and metabolic network–level dimensions.
First, to investigate the function of zinc in wound healing, Single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) data were analyzed based on the zinc-associated marker gene Metallothionein-1 (Mt1). This study identified that Mt1-positive cells were predominantly located in the intra-follicular epidermis basal layer (IFE B) and exhibited functions related to inflammation and metabolism, whereas Mt1-negative cells were associated with cell proliferation and tissue regeneration. These results imply that zinc-containing cells contribute to the early phase of wound response, while non-zinc-containing cells contribute to the later regenerative phase, providing knowledge about the molecular foundation of delayed wound repair in aging.
Second, in a disease model of spondylodysplastic Ehlers–Danlos syndrome (spEDS)—a rare genetic disorder resulting from pathogenic variants in SLC39A13, which encodes the zinc transporter ZIP13—hair abnormalities, aging-like phenotypes, were observed. Transcriptome analysis of ZIP13-deficient fibroblasts revealed disruptions in signaling pathways, particularly those involving the transcription factors p53 and SMAD4. These alterations were associated with decreased cell size, abnormal proliferation, and impaired hair quality, indicating that ZIP13 deficiency induces aging-like phenotypes beyond connective tissue defects at the molecular level.
Third, transcriptomic profiling of liver and kidney tissues from a hyperuricemia-induced mouse model—a degenerative disease—revealed significant alterations in genes associated with inflammation, oxidative stress, and metabolic regulation, particularly in the kidney. These findings highlight chronic inflammation as a key molecular feature of hyperuricemia. Further analyses of publicly available omics data will aim to identify additional genes and regulatory mechanisms associated with hyperuricemia. This study thus contributes to the molecular understanding of chronic inflammation, a hallmark of aging, and provides a foundation for predictive research on degenerative disease progression.
Collectively, this study employs transcriptome-based multi-scale omics analysis to elucidate the biological characteristics of aging and degenerative diseases by focusing on key aging features such as cellular senescence, signaling dysregulation, and chronic inflammation. The proposed bioinformatics strategies provide valuable perspectives into the molecular landscape of aging and may aid in the characterization of targetable molecular pathways involved in aging-related disease processes.

목차 (Table of Contents)

• 국문 초록 1
• ABSTRACT 3
• CONTENTS 6
• LIST OF FIGURES 8
• Ⅰ Introduction 9
• 1. Definition and Significance of Aging Research 9
• 2. The Current Status and Significance of Omics-Based Analyses in Aging Research 10
• 3. The Significance of Aging Phenotype Research 11
• 3.1. Intracellular Zinc Regulation Mechanisms 13
• 3.2. Spondylodysplastic Ehlers–Danlos Syndrom (spEDS) 15
• 3.3. Hyperuricemia 16
• Ⅱ Methods 20
• 1. Delayed wound healing 20
• 2. Hair abnormalities 23
• 3. Hyperuricemia 26
• Ⅲ Results 28
• 1. Exploring Zinc-Dependent Mechanisms in Epidermal Wound Healing 28
• 1.1. Generation of a Zinc-Responsive Lineage Tracing Model for Mt1⁺ Cells 28
• 1.2. Single-Cell Transcriptomic Characterization Reveals Distinct Localization of Mt1⁺ Cells 32
• 1.3. Mt1⁺ Cells Lack Canonical Stem Cell Markers but Express Basal Keratinocyte Programs 34
• 1.4. Functional Profiling Reveals Indirect Contribution of Mt1⁺ Cells to Wound Healing 35
• 2. Investigating the molecular basis of hair abnormalities in SLC39A13-related spondylodysplastic Ehlers–Danlos syndrome (spEDS) 37
• 2.1. ZIP13 Deficiency Induces Aging-like Hair Phenotypes in spEDS Model 37
• 2.2. Transcriptomic Reprogramming Following ZIP13 Deletion 39
• 2.3. Transcription Factor Dysregulation Involving p53 and SMAD4 41
• 2.4. Functional Implications and Potential Therapeutic Targets 42
• 3. Comparative Transcriptomic Analysis of Liver and Kidney Under Hyperuricemic Conditions 45
• 3.1. Tissue-Specific Transcriptomic Differences in Hyperuricemia 45
• 3.2. Kidney-Specific Activation of Inflammatory and Fibrotic Pathways 47
• Ⅳ Discussion & Conclusion 51
• Ⅴ Reference 54