Spatial Regulatory Framework for Biological Information Flow in Intra- and Inter-Neuronal Communication

Abstract

The regulation of biological information in the nervous system involves diverse mechanisms operating at both intracellular and intercellular levels. Multiple regulatory processes associated with gene expression, RNA metabolism, protein signaling, and intercellular material transfer have been described; however, attempts to interpret these phenomena within a broader framework of intracellular and intercellular information regulation remain limited. In this study, we propose a conceptual framework in which biological information is coordinated through distinct regulatory mechanisms operating at intracellular and intercellular levels. At the intracellular level, we demonstrate that the RNA-binding protein CSDE1 regulates mitochondria-associated transcripts, thereby coupling RNA metabolism with mitochondrial function. This finding reveals a mechanism by which nuclear- encoded information is selectively processed and delivered to mitochondria, contributing to intracellular homeostasis. At the level of membrane-associated signaling, we identify a previously uncharacterized intracellular fragment of Prominin-1 (PROM1/CD133), termed the PROM1 intracellular domain (PICD). PICD is generated from PROM1 and exhibits regulatory activity associated with gene expression and RNA processing pathways. PICD localizes to both the cytoplasm and nucleus and interacts with proteins involved in cytoskeletal organization, membrane dynamics, and RNA metabolism, suggesting a potential link to membrane remodeling processes that may contribute to intercellular communication. Extending these observations to the intercellular level, we further identify a mechanism by which ribosome-associated RNA information may be transmitted between cells. Using an NK cell–specific RiboTag model, we demonstrate that extracellular ribosome-containing complexes are released into the extracellular environment and carry selective RNA populations, including transcripts related to translation machinery and immune-associated pathways. These findings suggest that ribosomes can function as carriers of RNA information beyond the intracellular space, providing a potential mechanism for the transfer of ribosome- associated RNA and translational components between cells. Together, these findings present distinct regulatory phenomena, including intracellular regulation mediated by RNA-binding proteins, cleavage-derived intracellular signaling modules, and the potential intercellular transfer of ribosome-associated RNA information. These observations suggest that biological information in the nervous system may be organized and transmitted through multiple regulatory layers operating at both intracellular and intercellular levels, and provide a conceptual perspective for understanding these processes. |신경계에서 생물학적 정보의 조절은 세포 내(intracellular) 및 세포 간(intercellular) 수준에서 다양한 기전에 의해 이루어진다. 유전자 발현, RNA 대사, 단백질 신호전달, 그리고 세포 간 물질 전달과 관련된 여러 조절 기전들이 보고되어 왔으나, 이러한 현상들을 세포 내 및 세포 간 정보 조절의 관점에서 통합적으로 이해하려는 시도는 아직 제한적이다. 본 연구에서는 생물학적 정보가 세포 내 및 세포 간 수준에서 서로 다른 조절 기전을 통해 통합적으로 조절된다는 개념적 틀을 제시하고자 한다. 먼저 세포 내 수준에서, RNA 결합 단백질인 CSDE1이 미토콘드리아 관련 전사체를 조절함으로써 RNA 대사와 미토콘드리아 기능을 연결함을 규명하였다. 이는 핵에서 유래한 정보가 선택적으로 처리되어 미토콘드리아로 전달되는 기전을 제시하며, 세포 내 항상성 유지에 기여함을 시사한다. 또한 막-연관 신호전달 수준에서는 Prominin-1 (PROM1/CD133)으로부터 유래한 새로운 세포내 절편인 PROM1 intracellular domain (PICD)을 규명하였다. PICD는 세포질과 핵에 모두 존재하며, 세포골격 조직, 막 역학, RNA 대사에 관여하는 단백질들과 상호작용하여 유전자 발현 및 RNA 처리와 연관된 조절 기능을 나타낸다. 이러한 결과는 막 재구성이 세포 간 정보 전달과 연결될 가능성을 시사한다. 더 나아가 세포 간 수준에서, 리보솜-결합 RNA 정보가 세포 간에 전달될 수 있는 기전을 제시하였다. NK 세포 특이적 RiboTag 마우스 모델을 이용하여, 세포 외로 방출된 리보솜-함유 복합체가 선택적인 RNA 집단을 포함하고 있음을 확인하였다. 이러한 RNA에는 번역 기계와 관련된 전사체뿐만 아니라 면역 관련 전사체가 포함되어 있었다. 이는 리보솜이 세포 내 기능을 넘어 RNA 정보를 전달하는 매개체로 작용할 수 있으며, 세포 간 번역 능력의 전달에 기여할 수 있음을 시사한다. 종합하면, 본 연구는 RNA 결합 단백질에 의한 세포 내 조절, 단백질 절단에 기반한 세포 내 신호 모듈, 그리고 리보솜-연관 RNA의 세포 간 전달 가능성이라는 서로 다른 조절 현상들을 제시한다. 이러한 결과들은 신경계에서 생물학적 정보가 세포 내 및 세포 간 수준에서 다양한 방식으로 조직되고 전달될 수 있음을 시사하며, 이를 이해하기 위한 개념적 관점을 제공한다.