Transcriptional Landscape and Biomarker Discovery for Endoplasmic Reticulum Stress in Alzheimer’s Disease : An Ex-vivo Study Using Patients-Derived Dermal Fibroblast
알츠하이머 치매 환자 유래 섬유아세포를 활용한 소포체 스트레스 관련 바이오마커 발굴 및 전사체 분석
- 주제(키워드) Alzheimer's disease , ER stress , ex-vivo , biomarker
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 Chang Hyung Hong, Hyun Woong Roh
- 발행년도 2025
- 학위수여년월 2025. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 의생명과학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000034856
- 본문언어 영어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
알츠하이머병(Alzheimer's disease, AD)과 관련된 다양한 위험 요인은 수많은 연구를 통해 밝혀져 왔습니다. 그러나 사후(postmortem) 검체의 한계, 동물 실험의 제약, 뇌 조직 연구의 어려움 등 질병 모델링의 실험적 한계로 인해 병리생리(pathophysiology)를 직접적으로 해석하기가 어려운 상황입니다. Ex-vivo 실험은 이러한 문제를 해결하며, 환자 특이적 식별과 잠재적 바이오마커를 발굴할 수 있는 중요한 방법으로 주목받고 있습니다. 특히, 환자 유래 섬유아세포 (patient-derived fibroblast)는 세포 수준의 이상(abnormality)을 효과 적으로 반영합니다. 본 연구에서는 Ex-vivo 플랫폼을 활용하여 알츠 하이머 환자 유래 섬유아세포의 소포체 스트레스 반응에 따른 전사체 프로파일을 특성화하고, 잠재적 바이오마커를 제안하고자 하였습니다. 본 연구에서는 건강한 대조군과 AD 환자의 섬유아세포를 활용하여 소포체 스트레스에 반응하는 유전자 발현 차이를 관찰하였습니다. Gene ontology 와 pathway enrichment(경로 농축) 분석 결과, AD 에서는 지질 관련 용어의 반응성이 낮아지는 경향이 관찰되었습니다. 더 나아가, AD와 관련된 유전자로 후보군을 분석하였을 때 DCTN2가 가장 유의한 후보 유전자로 확인되었습니다. DCTN2 의 발현 배수 변화(fold change)는 다양한 임상 지표와 유의미한 상관관계를 보였으며, 이 지표들은 개정된 아밀로이드/타우/신경퇴화(Amyloid/Tau/Neurodegeneration, ATN) 연구 기준에 일치합니다. 또한, DCTN2 를 신경교세포주 (glial cell line)에서 knockdown 했을 때 세포 독성 및 세포자멸사가 증가하는 것을 확인하였습니다. 환자 유래 섬유아세포에서 확인된 차별적 유전자 반응은 AD 병리 기전에 대한 통찰을 제공할 뿐만 아니라 잠재적 바이오마커로 활용될 수 있습니다. 이러한 결과를 더욱 심화 연구하기 위해, 환자 유래 섬유아세포에서 reprogramming 한 iPSC 유래 미세아교세포(microglia) 모델링 프로토콜을 확립하였습니다. 이 접근법은 섬유아세포의 반응성을 중추 신경계(Central Nervus System, CNS) 세포 맥락에서 검증할 수 있는 기초를 마련합니다. 아직 perturbation 실험 및 후속연구는 진행되지 않았으나, 본 ex vivo 플랫폼은 소포체 스트레스 및 DCTN2 관련 기전 연구를 포함한 향후 연구 확장에 있어 중요한 토대를 제공합니다.
more초록/요약
Numerous studies have identified various risk factors associated with Alzheimer's disease (AD). Valuable contributions have been made in many studies. However, the experimental limitations of disease modeling make it challenging to directly interpret pathophysiology, including constraints of postmortem samples, animal experiments, and challenges associated with brain tissue studies. Ex-vivo experiments address these issues by enabling patient-specific identification and highlight potential biomarkers. Especially patient-derived fibroblasts effectively reflect the cellular abnormalities. The aim of this study was to characterize the transcriptional profile of AD patients using an ex-vivo platform and propose potential biomarkers. In detail, I utilized patients-derived fibroblast to observe differentially responsive genes to endoplasmic reticulum (ER) stress in both healthy controls and patients with AD. Gene ontology and pathway enrichment analyses revealed that lipid-related terms were less responsive in AD. By narrowing down AD-related genes, I identified the most significant gene, DCTN2. Fold change of DCTN2 significantly correlated with various clinical markers, aligning with the amyloid / Tau / neurodegeneration (ATN) research criteria for AD. Additionally, the knockdown of DCTN2 in glial cell lines resulted in increased cell toxicity and apoptosis. Identifying differentially responsive genes in ex-vivo patients-derived fibroblast not only provides insights into the pathology of AD but also offers potential biomarkers for disease diagnosis. To further investigate these findings, I established a protocol for modeling microglia derived from iPSCs, which were reprogrammed from patient-derived fibroblasts. This approach facilitates the validation of fibroblast responses in the context of central nervous system (CNS) cells. Although perturbation experiments have not yet been performed, this protocol provides a foundation for future studies, including investigations of ER stress and DCTN2-related mechanisms, with potential to expand follow-up research
more목차
I. INTRODUCTION 1
A. Alzheimer's disease 1
B. Endoplasmic Reticulum (ER) stress 2
C. Advantages of using fibroblast for neurodegenerative disease modeling 2
D. Ex vivo disease modeling platform using patient-derived fibroblast 3
E. Aims 4
II. MATERIALS AND METHODS 5
A. Study participants 5
B. Cell cultures 7
C. Experimental scheme and thapsigargin treatments 9
D. RNA sequencing and data normalization 9
E. Differentially expressed genes analysis 10
F. Knockdown of DCTN2 11
G. Western blot analysis 12
H. Cell viability assay 12
I. Flow cytometry analysis 13
J. Ex vivo iPSC-derived microglia differentiation 14
K. Immunocytochemistry and imaging 15
L. Statistical analysis 16
III. RESULTS 17
III-1. Demographic characteristics of study participants 17
III-2. Dermal fibroblasts derived from patients with AD exhibit a cholesterol biosynthetic gene expression profile in response to ER stress 21
III-3. Identification of potential biomarkers of dermal fibroblasts derived from patients with AD under ER stress 26
III-4. Association of DCTN2 fold change induced by ER stress with clinical and biomarker characteristics 29
III-5. DCTN2 knockdown modulates cell viability in astrocyte and microglia cell lines 31
III-6. DCTN2 knockdown modulates early apoptosis in astrocyte cell lines 33
III-7. Establishing iPSC-derived microglia in ex vivo disease modeling 35
III-8. Validating iPSC-derived microglia with marker expression 37
IV. DISCUSSION 41
V. CONCLUSSION 47
REFERENCES 48
국문요약 53
