JAK3 regulates differentiation and migration of Nestin-positive Progenitors in the central nervous system

Abstract

JAK3 is a tyrosine kinase enzyme and member of the Janus kinase (JAK) family of proteins of the non-receptor type. In our previous study we found that JAK3 plays a pivotal role on primary cortical neuronal precursor cells (NPCs) in their proliferation and differentiation. Therefore, I was interested in the role of JAK3 in cortical development. Firstly, I sought the expression of activated JAK3, pJAK3 in different region of cortex. I found that pJAK3 is expressed as early as E13.5 days in the marginal zone and part of the developing cortical plate (CP) but after E15.5 days the expression is limited to marginal zone and intermediate zone, part of the sub-plate, and ventricular membrane. Nestin, a marker for radial glial cells also co-expressed with activated JAK3 in all age group of the neurogenesis which indicate that activated JAK3 might be involve in immature radial neuronal migration along with radial fiber. I also observed On-Off system in JAK3 expression in early differentiated cell of layer V-VI neurons. Medial ganglionic eminence (MGE) and caudal ganglionic eminence (CGE) are the main source of the GABAergic interneurons. Arising from the GE, at the time of development, intermediate zone (IZ) and marginal zone (MZ) are reported to be the main route for the MGE cells migration to enter into the cortex. In this study I also found that inactivation of the JAK3 reduced the migration of the MGE cells in ex-vivo and in vitro conditions. Clustered migration which is also a migrating pattern of the MGE interneurons, found to be present in the vitro condition, where the neuronal cells migrate with the nestin positive large cells. The essential cell migration components such as lamilepodium, filopdium were highly expressed with activated JAK3. Even the JAK3 inhibition inhibited the formation of the actin arc which is essential for the cell migration. Repair of SCI depends on inflammatory responses after injury including immune cell functions on neurite outgrowth. Like other traumatic inflammatory responses, spinal cord injury (SCI) also evident with the activation of the microglia which controls the injury repair and motor function by playing in axonal protection and regeneration. Here JAK3 inhibitor Whi-P131 treatment on T9 right lateral hemisection injury model of 8 weeks old female wistar rats increased the motor function of the right hind limb significantly from 5th POD which was related with altered neurite outgrowth, preservation and also the reduction of the activated microglia in the lesion epicenter. These in vivo results suggest that JAK3 inhibition is crucial for progression of spinal cord injury. JAK3 also regulated the neuronal and glial differentiation in serum rich condition. Our study suggested that JAK3 might plays a role in differentiation and migration of the immature neurons during neurogenesis at the time of cortical development.

JAK3는 비수용체형인 tyrosine kinase 효소의 하나로 Janus kinase family의 일종이다. JAK3는 일차 대뇌피질 신경전구세포들의 증식과 분화에 주요한 역할을 하는 것이 알려져 있다. 따라서 본 연구는 대뇌피질의 발생과정에서의 JAK3의 역할에 대해 관심을 가지고 연구하고자 한다. 우선 발생도중의 대뇌피질의 여러 부위에서 JAK3의 활성화 형태인 pJAK3를 보았다. 배아 13.5일의 marginal zone(MZ)과 피질판(cortical plate)에서 보였던 pJAK3 발현은 15.5일에는 MZ, intermediate zone(IZ), sub-plate 일부와 뇌실막에 국한되어 보였다. 신경세포발생이 왕성히 일어나는 이 연령의 배아에서 radial glial cell 마커인 네스틴(nestin) 의 발현이 양성으로 보이는 세포들이 활성화된pJAK3와 동시에 발현을 보임으로 이는 미성숙된 신경세포의 radial fiber를 따라 이동되는 radial migration에도 관여하는 것으로 보인다. 또한 대뇌피질의 V-VI 층의 초기 분화되는 신경세포 형성에도 JAK3의 on-off system 이 작동하고 있음을 확인할 수 있었다. 이 GABAergic 신경세포들은 medial ganglionic eminence(MGE)와 caudal ganglionic eminence(CGE)으로부터 기원한다. IZ와 MZ는 MGE에서 시작하여 발생시기에 따라 대뇌피질로 이동되는 주요 경로로 알려져 있다. JAK3의 억제로 MGE세포 이동이 감소한다는 사실은 ex-vivo와 in vitro실험을 통해 확인할 수 있었다. In vitro MGE 세포배양조건에서 사이세포들의 이동은 무리를 지어 이동하였고, 이 사이신경세포들은 네스틴발현세포와 함께 이동하는 것을 관찰할 수 있었다. 특이한 것은 세포이동의 주요한 부위인 lamellipodium과 filopodium 에서 활성화된 JAK3를 관찰 할 수 있었다. 또한 JAK3 억제제에 의해 세포이동의 절대적인 액틴활궁(actin arc)의 형성을 억제하였다. 척수손상의 복원은 손상후 염증반응에 따라 이루어지는데, 이 때 신경돌기의 성장에 따른 면역세포 기능이 관여하게 된다. 다른 손상에서 나타나는 염증반응에서와 같이 미세아교세포의 활성화는 신경축삭의 보호와 재생복구과정에 주요한 인자가 된다. 여기서는 8주생 여성 winster rat에서 T9 오른쪽 척수 반쪽손상(hemisection)을 일으킨 척수손상모델에서 JAK3 억제제인 Whip-131에 의해 수술 후 5일부터 오른쪽 다리의 운동기능 회복이 증가되었고, 이는 신경돌기 성장과 유지 및 손상중심부위에서의 미세아교세포의 활성화를 감소시킨 것과 연관이 있을 것 같다. 이러한 in vivo 결과는 척수손상의 진행과정에서 JAK3의 역할이 있을 수 있으며, in vitro혈청배양조건에서도 JAK3는 신경세포와 신경교세포 분화를 조절함을 확인하였다. 본 실험을 통해 JAK3가 피질형성과정의 신경세포생성에서 미성숙 신경세포의 분화와 이동에 역할을 한다는 것을 보여주었다.