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dc.contributor.advisor 이성배 -
dc.contributor.author Chang Geon Chung -
dc.date.accessioned 2020-06-22T16:00:21Z -
dc.date.available 2020-06-22T16:00:21Z -
dc.date.issued 2020 -
dc.identifier.uri http://dgist.dcollection.net/common/orgView/200000284244 en_US
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/20.500.11750/11953 -
dc.description PolyQ, neurodegenerative diseases, dendrites, Golgi outposts (GOPs), C4 da neurons, MachadoJoseph Diseae (MJD), CrebA, CBP, Cut, COPII pathway, plasma membrane (PM) supply, Drosophila melanogaster -
dc.description.abstract Neurons are highly polarized cells, the most notable feature of which are their dendrites. Within the dendrites reside many organelles, each performing their functions in a localized area away from the so-ma. Among the organelles in the dendrites, Golgi outposts (GOPs) are unique to dendrites—GOPs are rarely found in axons. Because dendrites are much thinner than the soma, many organelles such as GOPs are miniaturized and thus may have differing functional capacity to their perinuclear counter-parts. These differences, among many others, may contribute to dendritic vulnerability over other neu-ronal domains to protein toxicity. However, whether GOPs are linked to neuronal dendrite pathology in diseases has not yet been explored. Protein toxicity has been shown to be associated with dendrite de-fects, but whence protein toxicity induces those defects is difficult to understand. Protein toxicity is observed in most neurodegenerative diseases. However, most cases of neurodegenerative diseases are sporadic -
dc.description.abstract the etiology is unknown and the causes are usually multiple. Therefore, a monogenic disease, such as Machado-Joseph Disease (MJD), can be a great model to understand the mechanism underlying dendrite defects via protein toxicity. Notably, MJD is known to be caused primarily by nuclear protein toxicity, making clear the pathogenic cause of the disease. During the course of my graduate work, I ex-amined the MJD toxic proteins using a Drosophila Class IV dendritic arborization (C4 da) neuronal model to understand how nuclear protein toxicity induces dendrite pathologies and how GOPs may con-tribute. I show in this Theses that polyQ protein expression in the nucleus causes terminal dendrite elon-gation and branching defects, most likely through perturbation of GOPs. PolyQ expression also led to decreased plasma membrane (PM) supply in C4 da neurons. By sequencing mRNA of fly brains express-ing polyQ proteins, I show that polyQ proteins down-regulated many genes involved in secretory path-way, including COPII genes the knockdown of which reduces the number of GOPs in C4 da neurons. Transcription factor (TF) analysis identifies CrebA as the TF disrupted by polyQ proteins and whose overexpression restores GOP loss in polyQ-expressing neurons. I demonstrate through chromatin im-munoprecipitation (ChIP)-PCR that CBP binds to CrebA promoter to regulate its transcription. Notably, I also show that CBP is an important regulator of GOP number in C4 da neurons. Next, I also show that CBP interacts with Cut to regulate the transcription of CrebA. To find out the link between polyQ pro-teins and CBP, I co-stained CBP and polyQ and found that polyQ proteins sequestered CBP. This se-questration mechanism seems to interfere with CBP function, the loss of which results in decreased CrebA expression, subsequently leading to down-regulation of COPII-related molecules and ultimately reducing the number of GOPs. I also show that Rac1-mediated terminal dendrite branching pathway may be intertwined with the CBP/Cut pathway. Taken together, I demonstrate that polyQ proteins induce dendrite pathology through the CBP/Cut-CrebA-COPII pathway. These results from my graduate study may help advance therapeutic research for diseases in which nuclear protein toxicity is the main cause. These results of mine may also be helpful in other disease fields in which dendrite pathology is present. -
dc.description.statementofresponsibility open -
dc.description.tableofcontents Abstract i
List of contents ii
List of tables iv
List of figures v
Ⅰ. Introduction
1.1 Neuronal dendrites require localized organelles for their structural growth and proper function 1
1.2 Dendrite defect is a common pathological feature of protein toxicity in various neurodegenerative diseases 3
1.3 Fly models for polyglutamine diseases are suitable for investigating dendritic pathology 4
II. Materials and Methods 7
III. Results
3.1 PolyQ toxicity in the nucleus disrupts branching and elongation of terminal dendrites in C4 da neurons 30
3.2 PolyQ toxicity in neurons induces a loss of GOP number in C4 da neurons 40
3.3 PolyQ toxicity in the nucleus leads to down-regulated cellular processes associated with GOP synTheses and PM protein supply 54
3.4 CrebA overexpression restores the down-regulation of COPII pathway and the loss of GOPs caused by polyQ toxicity in nucleus 66
3.5 Co-overexpression of CrebA and Rac1 synergistically restores polyQ-induced dendrite pathology 85
3.6 CBP directly binds to the CrebA promoter to regulate its transcription in cooperation with Cut 97
3.7 PolyQ proteins in the nucleus interfere with CBP at the upstream of CrebA in regulation of GOP synTheses 110
IV. Discussion
4.1 PolyQ proteins in the nucleus cause terminal dendrite defect through the perturbation of CBP-CrebA-COPII pathway 115
4.2 PolyQ proteins may disrupt the stoichiometric ratio of CBP to Cut for the regulation of CrebA transcription 116
4.3 CBP-CrebA pathway, among many other transcriptional pathways, contributes significantly to the loss of GOPs and terminal dendrite defects by polyQ proteins 119
4.4 PolyQ proteins in the nucleus disrupt the neuropeptide maturation process, but perinuclear Golgi are relatively spared 122
4.5 PolyQ proteins in the nucleus significantly down-regulates a substantial number of genes without causing cell death in Drosophila brain 125
4.6 MJDtr-27Q can also cause neurotoxicity 129
4.7 Conclusion 131
V. References 134
VI. Summary (국문) 140
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dc.format.extent 161 -
dc.language eng -
dc.publisher DGIST -
dc.source /home/dspace/dspace53/upload/200000284244.pdf -
dc.title Characterization of the role of Golgi outposts in dendritic pathology caused by polyglutamine toxicity in neurons -
dc.type Thesis -
dc.identifier.doi 10.22677/Theses.200000284244 -
dc.description.alternativeAbstract 신경세포의 특징은 매우 길고 복잡한 형태를 가지고 있는 수상돌기이다. 수상돌기 안에서는 다양한 세포 소기관들이 발견될 수 있는데 그 중에서도 특히 축삭돌기에서는 발견되지 않지만 수상돌기에서만 발견되는 Golgi outpost (GOP) 라는 세포 소기관이 있다. GOP는 핵 주변에 있는 골지랑 비슷한 형질을 가지고 있지만 그에 비해서 사이즈는 확연히 더 작다. 수상돌기는 매우 가늘기 때문에 GOP가 소형화 된 게 아닐까라는 가설이 존재한다. 사이즈가 다르기 때문에 GOP의 기능 수용력도 다를 수 있지 않을까 생각이 된다. 이러한 차이 때문에 수상돌기가 독성단백질에 더 취약할 수도 있을 것이다. 그러나 아직까지 GOP가 수상돌기 병적 측면에서 어떤 역할이 있을지는 잘 알려져 있지 않다. 독성 단백질은 대부분의 퇴행성 뇌 질환에서 발견 된 병리기작 이다. 그러나 대부분의 퇴행성 뇌 질환은 산발적으로 발생함으로써 정확한 원인을 모르고, 결국 다양한 원인이 존재할 수 있다는 가능성을 열어둔다. 그래서 Machado-Joseph Disease (MJD) 같은 100% 유전병으로 알려진 질병이 수상돌기 병리 기작을 이해하는데 유용한 모델로 쓰인다. 석박통합과정 동안 저자는 MJD 환자에서 보이는 polyQ독성 단백질을 가지고 연구를 초파리 Class IV dendritic arborization (C4 da) 신경세포에서 하게 되었다. 본 논문에서는 polyQ라는 독성 단백질이 어떻게 종말 가지돌기에 영향을 줄 수 있는지 라는 질문에 답을 하기 위해서 실험을 시작 하였다. PolyQ 단백질을 핵 에다 발현을 시키면 종말 가지돌기가 없어지거나 짧아지는 현상을 발견 하였고, 이것이 GOP를 통해서 일어나는 것을 증명 하였다. 그러고 또한 원형질막 공급에도 문제가 생기는 것을 보고 하였다. 차세대 시퀀싱을 통해서 분비 경로에 관련된 유전자 발현도가 polyQ에 인해서 많이 감소한 것을 발견하였다. 이런 분비 경로에 관련된 유전자를 녹다운 했을 경우 GOP가 대체로 감소하는 것을 보고 하였다. 따라서 polyQ 단백질이 분비 경로를 통해서 GOP의 수를 감소하는 것으로 해석이 된다. 그 후 저자는 전사 인자 분석을 통해서 CrebA라는 전사 인자가 polyQ로 인해서 발현이 의미 있게 감소하였고, 또한 CrebA의 하류로 에 있는 타겟 유전자들 역시 감소한 것을 밝혔다. 더욱이 CrebA를 과 발현 해 보았을 때 polyQ로 인해서 감소했던 GOP 숫자가 회복하는 것을 관찰 하였다. CrebA라는 유전자 발현을 조절하는 인자가 뭐가 있을까 살펴 본 결과 CBP라는 또 다른 전사 인자를 발견하게 되었다. CBP는 기존 논문에 CrebA랑 유전 상호작용을 한다는 보고가 있었다. 그러나 그 관계가 어떻게 되는지는 잘 모르고 있었다. 따라서 저자는 CBP랑 CrebA의 관계를 더 깊이 조사하였고, 그런 결과, CBP는 GOP의 개수를 조절할 수 있음과 동시에 염색질 면역 침강을 통해서 CrebA의 촉진자에 붙어서 전사 조절이 가능하다는 사실을 규명하였다. 또한, Cut이라는 전사 인자는 Rac1이라는 유전자의 전사를 돕는다고 잘 알려져 있다. 이 뜻은, polyQ로 인해서 Cut을 통한 Rac1이 매개하는 F액틴 합성 능력이 무너짐과 동시에 CBP를 통한 CrebA가 매개하는 분비경로가 같이 무너짐으로, Rac1이 종말 가지돌기가 분기하는 걸 도와주고, CrebA는 가지가 더 길어지도록 도와주는 역할을 하지만, 이 역할들이 polyQ 독성 단백질을 통해서 막히게 되는 것이다. 또한 재미있게도, Cut이랑 CBP가 각각 CrebA의 전사를 조절한다고 밝혔다. 그러나 각각 과 발현을 하면, CrebA양이 늘어나지 않는다. 왜일까? 녹다운을 하면 CrebA양은 확연히 줄어든다. 이 뜻은, CBP랑 Cut은 CrebA전사 조절에 필요한 분자들이지만 충분하진 않다는 뜻이다. 그러나 재미있게도, CBP랑 Cut이랑 같이 과 발현 시키면 CrebA 양이 증가하게 된다. 따라서 CBP랑 Cut이 같은 pathway, 혹은 complex를 이루면서 Cut의 전사를 조절하지 않을까 라는 가설을 새웠다. 흥미롭게도, 저자는 연구 중에 CBP랑 Cut이 같은 complex에 존재한다는 걸 알게 되었고, 따라서 CrebA의 조절은 결국 이 complex를 통해서 이루어진다고 추측 되었다. 그러면 어떻게 polyQ는 이 complex를 방해하게 될까? 흥미롭게도 예전 논문에CBP가 polyQ에 의해서 기능을 상실할 수 있다고 보고된 바 있다. C4 da 신경세포 안에서 CBP랑 polyQ랑 같이 발현을 해서 염색을 해 보았을 때 둘이 같은 위치에 있음을 확인하였고, 특히나 CBP의 위치가 polyQ가 없을 때랑 비교해서 많이 변한 것을 보아 polyQ가 CBP를 격리시키고 있어 보였다. PolyQ가 CBP의 기능을 제어하고 있는지 확인하기 위해서 CBP의 GOP 조절능력을 polyQ 발현 한 상황에서 확인해 보았다. 흥미롭게도 CBP의 GOP 개수 조절능력이 상실된 것이 확인 되었다. 따라서 polyQ 독성 단백질이 CBP를 격리 시킴으로써 Cut이랑의 complex가 무너지고, 그럼으로 인해서 CrebA의 전사를 막고, 그럼으로써 분비 경로가 막히고, 결국 GOP가 손실되는 것이라는 결론을 내리게 되었다. 이 저자가 석박통합과정 동안 한 실험들이 앞으로 질병 치료 연구에 많은 통찰력을 기어함으로써 독성 단백질이 핵에 쌓여서 생기는 질병 기작을 이해하는데 도움이 되리라 생각된다. -
dc.description.degree Doctor -
dc.contributor.department Brain and Cognitive Sciences -
dc.contributor.coadvisor Yoontae Lee -
dc.date.awarded 2020-02 -
dc.publisher.location Daegu -
dc.description.database dCollection -
dc.citation XT.BD 정82 202002 -
dc.date.accepted 2020-01-20 -
dc.contributor.alternativeDepartment 뇌인지과학전공 -
dc.contributor.affiliatedAuthor Chung, Chang Geon -
dc.contributor.affiliatedAuthor Lee, Yoontae -
dc.contributor.affiliatedAuthor Lee, Sung Bae -
dc.contributor.alternativeName 정창근 -
dc.contributor.alternativeName Sung Bae Lee -
dc.contributor.alternativeName 이윤태 -
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