The role of eIF3α in the regulation of neuronal differentiation during brain development

Abstract

Proper cortical development requires tightly controlled gene expression programs that guide neural progenitors to produce appropriate neuronal subtypes at specific developmental time points. While transcriptional regulation has been extensively investigated in this context, the contribution of translational control remains relatively underexplored. Here, we identify eukaryotic translation initiation factor 3 subunit a (eIF3a), the largest subunit of the eIF3 complex, as a noteworthy regulator of neuronal differentiation in the developing mouse cortex. Although eIF3a is well known for its role in translation initiation and has also been implicated in diverse biological processes, its involvement in neuronal differentiation is still poorly understood. In this study, we examined the role of eIF3a in the developing mouse dorsal cortex. We first characterized its endogenous spatiotemporal expression pattern across several embryonic stages and found that it changes dynamically in accordance with neurogenic transitions. Using in utero electroporation, we further demonstrated that modulation of eIF3a levels in vivo affects neuronal differentiation in a stage-dependent manner. Importantly, O-propargyl puromycin (OPP) incorporation assays performed in HEK293T cells showed that increased eIF3a expression does not lead to an overall increase in global translation, suggesting that its effects on neuronal differentiation are not driven by a general enhancement of protein synthesis. Together, our findings identify eIF3a as a regulator of cortical neurogenesis and suggest that it influences neuronal fate determination through mechanisms that extend beyond its canonical role in translation initiation, potentially acting in a context- and stage-dependent manner during cortical development.|정상적인 대뇌 피질의 구조가 형성되기 위해선, 신경 전구세포가 각 발달 단계에 맞는 정교한 유전자 발현 프로그램의 조절을 받아 시기적절한 유형의 신경세포로 분화해야 한다. 이러한 맥락에서 전사 수준의 조절은 오랫동안 활발히 연구된 반면, 번역 수준의 조절이 기여하는 방식은 상대적으로 적게 규명되어 있다. 본 연구에서는 발달 중인 생쥐 대뇌 피질에서 진핵생물 번역개시인자 eIF3 (eukaryotic translation initiation factor 3) 복합체의 가장 큰 하위 단위체인 eIF3a가 신경 분화의 주목할 만한 조절인자임을 확인하였다. 기존 연구들에 따르면 eIF3a는 전반적인 번역 개시 과정에 핵심적인 기여를 할 뿐만 아니라, 다양한 생물학적 과정 또한 매개한다. 그러나 신경 분화 및 피질 발달 과정에서의 그 역할은 거의 알려져 있지 않다. 이를 밝히고자, 우리는 먼저 여러 배아 발달 단계에 걸쳐 생쥐 대뇌 피질에서 내인성 eIF3a의 발현 양상을 분석하였다. 그 결과 eIf3a는 피질 전반에 발현되고 있지만, 그 발현수준이 발달 단계에 따라 필요로 하는 신경 발생(neurogenic transitions)의 전환에 맞춰 시•공간적으로 변화하는 것을 관찰하였다. 이후, 피질 내 심층(deeper layer)에서 상층 (upper layer)으로의 신경 발생 전환이 이루어지는 시기에 in utero electroporation을 통하여 eIF3a 발현을 인위적으로 조절하였더니, 그 과발현은 상층 identity로의 신경 분화를 촉진한 반면, CRISPR/Cas9을 이용한 발현 감소는 반대의 결과를 초래함을 확인하였다. 이는 발달 중인 쥐의 대뇌피질에서 eIf3a의 발현 수준과, 피질 발달 단계에 따라 필요한 신경발생 전환 사이의 연관성을 암시한다. 그러나 O-propargyl puromycin (OPP) incorporation 실험을 통해 eIF3a의 과발현이 곧 세포 내 전체적인 번역 수준을 향상시키는 것은 아님을 보고, eIF3a가 단순 번역개시인자의 역할을 넘은 새로운 메커니즘을 통해 신경분화에 영향을 미치고 있음을 확인하였다. 이러한 결과들을 바탕으로 우리는 배아기 쥐의 대뇌피질에서 eIF3a가 신경 세포 하위유형의 순차적 생성에 영향을 미칠 뿐만 아니라, 발달 단계 의존적 생물학적 신호와 신경세포의 운명 결정을 연결하는 새로운 매개자로 기능할 수 있음을 제안한다.