Induced pluripotent stem cell modeling of Best disease and autosomal recessive bestrophinopathy

Abstract

Purpose To understand a pathophysiology of Best disease (BD) and autosomal recessive bestrophi nopathy (ARB) by establishing an in vitro model using human induced pluripotent stem cell (iPSC). Methods Human induced pluripotent stem cell ( iPSC lines were generated from mononuclear cells in peripheral blood of one autosomal recessive bestrophinopathy (ARB) patient, one autosomal dominant Best disease (BD) patient, and two normal controls. Immunocytochemistry and reverse transcriptase polymerase chain reaction in iPSC lines were conducted to demonstrate the pluripotent markers. After differentiation of iPSC into functional retinal pigment epithelium (RPE), morphological characteristics of the RPE were evaluated using confocal microscopy and immunocytochemistry. The rates of fluid flow across iPSC RPE monolayer were measured to compare apical to basal fluid transports by the RPE. RNA sequencing was performed on iPSC RPE to identify the differences in gene expression profiles , and specific gene sets were tested using Gene Set Enrichment Analysis. Results Morphological characteristics, gene expression, and epithelial integrity of ARB iPSC were comparable to those of BD patient or normal control. Fluid transport from apical to basal was significantly decreased in ARB iPSC RPE compared with BD iPSC RPE or control iPSC RPE. Gene Set Enrichment Analysis confi rmed that ARB iPSC RPE exhibited significant enrichment s of epithelial mesenchymal transition gene set and TNF α signaling via NF κB gene set compared with control iPSC RPE or BD iPSC RPE. Conclusions A human iPSC model of ARB showed a functional deficiency rather than anatomical defects. ARB may be caused by RPE dysfunction following BEST1 mutation. 목적: 인간 역분화줄기세포를 이용하여 베스트병과 열성유전베스트병의 체외모델을 구축하고자 함. 방법: 열성유전베스트병 환자 1명과 우성유전베스트병 환자 1명, 정상 대조군 2명으로부터 채취한 말초혈액샘플에서 인간 역분화줄기세포주를 생성하였다. 만능성 표지자를 역분화줄기세포주에서 확인하기 위해 면역세포화학염색과 역전사 중합효소 연쇄반응을 시행하였다. 역분화줄기세포를 망막색소상피로 분화한 후, 공초점 현미경과 면역세포화학염색을 사용하여 망막색소상피의 형태학적 특성을 분석하였다. 역분화줄기세포에 대하여 RNA 염기순서분석을 시행하고, 구체적 유전자 집합에 대하여 유전자 집합 농축 분석을 실시하였다. 결과: 열성유전베스트병 역분화줄기세포의 형태학적 특성과 유전자 발현, 상피 피완전성은 베스트병 환자 혹은 정상 대조군 역분화줄기세포와 비교하여 유사한 소견을 보였다. 정단부에서 기저부로의 유체 수송은 베스트병 환자 혹은 정상 대조군 역분화줄기세포에 비해 열성유전베스트병 역분화줄기세포에서 더 감소된 소견이 관찰되었다. 유전자 집합 농축 분석 결과, 정상 대조군 혹은 베스트병 환자 역분화줄기세포에 비하여 열성유전베스트병 역분화줄기세포에서 상피간엽이행 유전자 집합 및 NF-κB 경유 TNF-α 신호 유전자 집합의 유의한 농축이 관찰되었다. 결론: 본 연구를 통하여 열성유전베스트병 인간 역분화줄기세포 모델에서 형태학적 이상보다 기능적인 결핍을 확인하였다. 열성유전베스트병은 BEST1 유전자의 변이에 따른 망막색소상피의 기능이상에 의해 발생할 가능성이 있을 것이다.