KDM2B is key regulator to form neural progenitor in cortical neurogenesis : The role of KDM2B related to the signal for neural progenitor specification

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Various epigenetic modifications are known to regulate neurogenesis. In this study, the role of KDM2B during the differentiation from human embryonic stem cells into cortical neurons and organoids that mimic the forebrain was investigated. KDM2B is reported to play a role in demethylating the methyl group of ß-catenin in the process of Wnt/ß-catenin signaling. In addition, it has been discovered that the activation of Wnt/ß-catenin signals in cortical neurogenesis changes the fate of cells that differentiate into neuronal precursors, leading to differentiation toward neuron crest cells. Here, we figured out that KDM2B - depleted hESCs could not properly form the rosette structure that should be seen in cortical neurogenesis. Also, the expression of ß-catenin was increased at the time of differentiation into neural progenitor cells from KDM2B – depleted hESCs. Through this, we hypothesized that the decreased expression of KDM2B induced the activation of Wnt/ß-catenin signals, and thus the fate of the neural progenitor was changed into neural crest cells. To confirm this, we investigated the expression level of the neural crest marker genes upon the differentiation into cortical neurons and forebrain organoids. Consequently, KDM2B – depleted hESCs resulted in significantly increased level of neural crest marker genes. Overall, KDM2B – depleted hESCs activated the Wnt/ß-catenin signaling in the cortical neuron differentiation process, thereby increasing the rate of differentiation into neural crest cells rather than neural progenitor cells.

국문 초록 (Abstract)

많은 후성유전학적 조절자들이 배아줄기세포의 분화 과정에서 유전자 발현에 영향을 끼침으로써 계통의 운명 결정에 관여한다. 그 중 H3K4와 H3K36의 탈메틸화 효소인 KDM2B가 대뇌 피질으로의 분화 과정에서 중요 역할을 수행함을 밝힌 이전 연구들은 마우스 모델에서만 이루어져 있었다. 이는 인간의 대뇌 피질 분화를 구현해내기 위한 모델을 구축하는 데에 한계가 있었기 때문이라고 할 수 있다.
본 연구에서는 인간 배아줄기세포에서 대뇌 피질 신경세포 및 전뇌를 모사하는 오가노이드로 분화하는 과정에서 KDM2B의 역할을 규명한 데에 있어 의의가 있다. KDM2B는 Wnt/ß-catenin 신호 과정에서 ß-catenin의 메틸기를 탈메틸화시킴으로써 분해하는 역할을 수행하는 것으로 알려져있다. 또한, 인간배아줄기세포에서 대뇌 피질 신경세포로 분화를 하는 과정에서 Wnt/ß-catenin 신호의 활성화는 신경세포 전구체로 분화하는 세포의 운명을 바꾸어 신경능선세포 방향으로 분화되도록 만든다는 연구가 밝혀진 바 있다.
KDM2B 발현이 정상적으로 되지 않는 인간 배아줄기세포는 대뇌 피질 신경세포로 분화하는 과정에서 보여야 하는 rosette 구조를 제대로 형성시키지 못하는 것을 확인하였다. 또한, KDM2B 발현이 감소된 인간 배아줄기세포에서 신경세포 전구체로 분화하는 시점에서 ß-catenin의 발현이 축적되어 있는 것을 밝혔다. 이를 통해 KDM2B의 저하된 발현이 Wnt/ß-catenin 신호의 활성화를 유도하고 이로 인해 신경세포 전구체의 운명이 신경능세포로 변화된 것이라고 가정하였다. 이를 확인하기 위해 대뇌 피질 신경세포 및 전뇌 오가노이드로의 분화 과정에서 신경능세포 마커 유전자의 발현 정도를 비교한 결과, KDM2B 발현이 감소된 인간 배아줄기세포를 사용하였을 때 정상보다 신경능세포 마커 유전자 발현이 상당히 증가되어있었다. 종합적으로, KDM2B 발현이 감소된 인간 배아줄기세포는 대뇌피질 신경세포 분화 과정에서 Wnt/ß-catenin 신호 과정을 활성화시킴으로 인해 신경세포 전구체가 아닌 신경능세포로 분화하는 비율이 증가되는 것을 밝혔다. 그리고 이로 인해 신경세포 전구체가 원형 모양으로 배열을 이루는 rosette 구조 형성이 감소하는것을 결론내릴 수 있었다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1. Human embryonic stem cell 1
• 2. Differentiation to cortical neuron 2
• A. The history of differentiation of cortical neuron 2
• B. Differentiation of cortical neuron 5
• 3. Relationship between regulation by epigenetic modification and differentiation of human embryonic stem cell 8
• A. Epigenetic regulators in cortical neurogenesis 8
• B. KDM2B and cortical neurogenesis 9
• 4. Brain organoid 10
• 5. Wnt signaling pathway 11
• Chapter 2. Results 12
• 1. KDM2B expression level is increased during early stage of cortical neuron differentiation. 12
• 2. KDM2B- depleted hESCs reduced the formation of neural rosette during cortical neuron differentiation. 15
• 3. KDM2B inhibited the Wnt/ß-catenin signaling pathway. 19
• 4. KDM2B - depleted hESCs reduced neural progenitor and increased neural crest population in cortical neurogenesis. 21
• Chapter 3. Discussion 24
• Chapter 4. Materials and Methods 26
• Chapter 5. References 33
• 논문 요약 39