Role of JAK3 in differentiation and migration of nestin expressing cells in during central nervous system injury.

Abstract

Neural progenitor cells have possibility of differentiation to neuron or neuroglia depending on the stage of development in central nervous system. In adulthood, also these types of cells remain as intermediate cells in some tissue having potential of differentiation and migration to the injury area. In previous study, JAK3 signal was involved in differentiation of neuronal precursor cell, especially, JAK3 inhibition was promoted the differentiation from neuronal precursor cell to neuron not to neuroglia. It suggest that JAK3 need to activate in the important stage of development of neuronal precursor cells. So, I investigated the function of JAK3 on differentiation of neural progenitor cells using nestin which a marker of progenitor cells. Neural progenitor cells originated from both cortex and spinal cord were cultured and grown in medium containing FBS (10%). In this condition, the number of nestin expressing cells and neuroglia cells were decreased but the number of neuron was increased by JAK3 inhibition. Also, The migration of nestin expressing cells and neuroglia cells were decreased by JAK3 inhibition. These result suggest that JAK3 is important signaling molecule on migration of neuroglia into injury area and glia scar formation. Although medium containing growth factor (EGF and bFGF) is suitably consisted for development and proliferation of neural progenitor cell, cortical neural progenitor cell and spinal cord neural progenitor cells grown in growth factor medium did not properly differentiate to neuron but cells treated with JAK3 inhibitor only differentiated to neuron and improved cell survivability. Microglia is immune cell of central nervous system involved in inflammation and phagocytosis. With JAK3 inhibition, microglia originated from progenitor cell was less proliferated and less migrated irrespective of medium condition. In addition, mRNA expression levels of several transcription factors associated with microglia development, maturation and activation were decreased by JAK3 inhibition. With these result, I reaffirmed that JAK3 signal have important effect on migration and proliferation of neural progenitor cells and microglia which having high motility and immune response in central nervous system. Taken together, these data suggested that JAK3 signal is a key factor which modulates survivability, proliferation and migration of neural progenitor cells and neuroglia.

줄기세포나 전구세포 (progenitor cell) 등은 다양한 종류의 세포로의 분화가 가능한 중간단계 세포 (intermediate cell) 의 특성을 가지고 있으며 nestin을 발현하고 있다. 중추신경계 발생과정에서 신경전구세포 (neural progenitor cell) 은 시기에 따라 신경세포와 신경아교세포로 분화가 가능한 세포이다. 또한 성인으로 성장하고 난 후에도 중간단계 세포로 일부 존재하여 중추신경계가 손상되었을 때 손상부위로 이동하여 재생에 관여하는 여러 종류의 세포로 분화가 가능하다. 선행 연구에 따르면 JAK3 활성억제에 의해 신경전구세포로부터 신경세포로의 분화는 촉진되며 신경아교세포로의 분화는 감소된다고 알려져 있다. 이는 신경전구세포의 분화방향에 있어서 JAK3의 활성이 중요한 과정임을 시사하고 있는데 이를 바탕으로 본 연구에서는 신경전구세포의 표지자로 알려진 nestin 을 이용하여 신경전구세포의 분화 방향 및 이동성에서의 JAK3의 역할을 규명하고자 하였다. 대뇌피질전구세포와 척수신경전구세포를 이용하여 혈청이 포함된 배양환경에서 관찰한 결과, JAK3 활성억제에 의해 nestin 발현세포의 수는 감소하는 대신 신경세포로의 분화가 증가하는 경향을 보였고, 또한 별아교세포 또는 미세아교세포와 같은 신경아교세포로의 분화와 이동은 감소함을 확인하였다. 이러한 결과는 중추신경계 손상 시 신경아교세포가 손상부위로 이동하고 아교상흔 (glial scar) 를 형성하는데 JAK3 신호가 주요하게 작용함을 나타낸다. 신경전구세포의 증식과 분화, 성장에 적합한 배양환경이라 알려진 성장인자 (EGF, bFGF) 가 포함된 배지에 배양을 하였음에도 대뇌피질전구세포와 척수신경전구세포 모두 대조군에서 신경세포로의 분화가 유지되지 못하고 세포가 사멸하는 반면, JAK3 활성억제에 의해선 세포의 생존이 증가되고 신경세포로의 분화가 유도되며 신경돌기 성장이 촉진되는 것을 관찰하였다. 미세아교세포는 중추신경계의 면역세포로 중추신경계의 발생과정에서는 신경세포나 교세포 (glia) 보다 가장 먼저 조직으로 들어가 골수성 전구세포 (myeloid progenitor cell) 로 존재하며 미세아교세포로 분화하는 것으로 알려져 있다. 대뇌피질전구세포와 척수신경전구세포 모두에서 배지 조성과 관계없이 JAK3 활성억제에 의해 미세아교세포의 이동성과 증식이 감소하는 것을 확인하였다. 이와 더불어 nestin발현세포에서 미세아교세포의 발달과 증식과 성숙이 주로 손상주변 부위에서 일어나 이동하는 것을 확인하였다. 또한 이에 관련된 전사인자들의 mRNA 발현 정도를 q-PCR로 알아본 결과 일부 인자들이 손상 자극에 의해 변화를 보였고, 이런 전사인자들의 mRNA 발현은 JAK3의 활성 억제에 의해 감소하였다. 이는 중추신경계의 발생과정에서 JAK3의 신호가 손상에 따른 전구세포들의 증식, 분화와 이동에 주요하게 작용하였고 특히 신경계에서 면역작용에 관여하는 미세아교세포의 분화, 증식 및 이동에 매우 중요한 요소임을 알 수 있었다. 이를 종합하면 JAK3의 신호가 여러 세포로 분화능을 가진 분화 중간단계의 전구세포들의 생존, 증식 및 이동을 조절하는 주요인자임을 확인할 수 있다.