Differential role of primary cilia on cochlear development

Abstract

섬모세포소기관은 척추동물의 발생과 항상성 유지에 중요한 여러 신호전달체계의 중추로써 작용한다. 섬모세포소기관의 유전적 결함은 ciliopathy라 하고 하는 선천 질환을 야기 하는데, 이 질환의 증상에는 청력 손실이 포함된다. 소리를 인지하여 청각 신호를 전달하는 달팽이관 속의 청각유모세포에도 섬모세포소기관이 존재 하는데, Kinocilia로 알려진 이 섬모세포소기관은 청각유모세포의 평면 세포 극성을 구현 하고 달팽이관 신장에도 기여 할 수 있는 것으로 알려져 있다. 이러한 이전의 연구 결과들을 토대로 섬모세포소기관은 달팽이 관에서 평면 세포 극성을 구현함으로써 청력에 기여 할 것으로 추측 되었다. 그러나 최근 연구에 따르면 일부 섬모세포소기관 돌연변이 및 ciliopathy 마우스 모델들에서는 청각유모세포에서 평면 세포 극성 결함이 관찰됨에도 불구하고 정상적인 달팽이관 신장 및 정상 청력을 보였다. 이에 섬모세포소기관 결함으로 인한 평면세포극성 결함이 반드시 청력 손실을 유도하는 것이 아니라고 유추 할 수 있고, ciliopathy에서 청력 손실이 야기되는 기전은 추가적인 규명이 필요한 상태이다. 본 연구에서는 달팽이관 발생 및 청각 형성에 있어서 섬모세포소기관의 역할을 추가적으로 밝히고 이를 토대로 ciliopathy에서 나타나는 청력 손실의 원인을 새롭게 제시 하고자 한다. 이에 청각 유모세포 형성 이후의 섬모세포소기관 역할에 중점을 두었던 이전 연구들의 한계를 극복하고자 유모세포 형성 이후의 후기 달팽이관 발생과정과 더불어 초기 달팽이관 발생 과정 동안의 섬모세포소기관의 역할을 규명 하였다. 이를 위해 세가지 다른 종류의 섬모세포소기관 돌연변이 마우스의 달팽이관 및 청각 유모세포 발생 과정을 관찰 하였다 세 종류의 섬모세포소기관 돌연변이 마우스에서는 공통적으로 짧은 달팽이관, 청각 유모세포 개수 감소, 달팽이관 부위별 특이 유전자의 발현 저해 등의 형질이 관찰 되었고, 이는 SHH 신호전달체계에 결함이 있는 돌연변이들의 형질을 닮아 있었다. 실험 결과 섬모세포소기관 돌연변이 마우스의 달팽이관에서도 비정상적인 SHH 신호전달체계가 관찰 되었다. 달팽이관은 각 부위별로 가장 잘 반응 할 수 있는 소리 주파수가 다른데, 이러한 특질을 Tonotopy라 하고, SHH 신호 전달체계는 Tonotopy의 확립에 중요한 것으로 알려져 있다. Tonotopy가 잘 확립 되어야 서로 다른 소리의 주파수를 구별 할 수 있으며 이는 정상 청력의 토대가 된다. 섬모세포소기관 돌연변이에서 비정상적인 SHH 신호전달 체계가 관찰된 것과 연관하여 내이(inner ear) 특이적 섬모세포소기관 돌연변이 마우스인 Foxg1Cre;Cilk1lox/lox 마우스에서 청력 및 Tonotopy 특질을 반영하는 인자를 관찰 한 결과, 저주파 특이적인 청력 손실, 비정상적인 tonotopy를 반영하는 짧아진 청각 섬모가 관찰 되었다. 이러한 결과를 종합하여, 본 연구에서는 달팽이관 발생 과정 중 섬모세포소기관은 SHH 신호전달을 통해 달팽이관 신장, 청각 유모세포 개수 조절, 청각 유모세포 분화 시기 조절, 정상 Tonotopy의 확립에 기여 한다는 것을 밝혔다. 또한 이를 바탕으로 정확한 병인 기전이 밝혀지지 않았던 일부 ciliopathy 질환 군에서 나타나는 청력 손실을 섬모세포소기관 결함으로 인한 SHH 신호전달 저해와 연계하여 설명 할 수 있을 것으로 판단된다. 중심단어 : 섬모세포소기관, SHH 신호전달, 달팽이관, 청각 유모세포, ciliopathy

The primary cilium serves as a signaling center for various cellular pathways important for animal development and homeostasis. Defects in the primary cilium cause a range of genetic diseases known as ciliopathies, which include hearing loss. The primary cilium in the inner ear hair cells (HCs) was associated with planar cell polarity (PCP) signaling, which is important for HC polarity and cochlear elongation. However, the etiology of hearing loss in ciliopathies remains unclear. To understand the role of primary cilium in inner ear development and function, we analyzed three different ciliopathy mouse models; conditional knockout of Intraflagellar transport 88 (Pax2-Cre; Ift88lox/lox, Ift88 cKO), Tbc1d32bromi (a.k.a. bromi) mutant, and Cilk1a.k.a. Ick) knockout (KO). Ift88 cKO lacks the primary cilium, while Tbc1d32bromi and Cilk1 mutants have abnormal ciliary morphology and length. Ift88 cKO exhibited severe defects of both HC polarity and cochlear elongation, Tbc1d32bromi and Cilk1 mutants only showed defects of cochlear elongation with relatively normal HC polarity. All three mutants exhibited extra rows of HCs in the apex, premature HC differentiation, and decreased HC number. In addition, Ift88 and Tbc1d32bromi mutants developed ectopic vestibule-like HCs in the Kölliker’s organ and exhibited a reversed wave of HC differentiation. These phenotypes share those of mutants carrying defective SHH signaling and SHH target genes such as Ptch1 and Gli1 was significantly downregulated. Furthermore, Msx1 expression, which indicates apical cochlear specification and requires high levels of SHH signaling, was also reduced or absent in the developing cochlea of ciliary mutants. Consistent with abnormal apical specification, Cilk1 cKO (Foxg1Cre; Cilk1lox/lox) exhibited low-frequency specific hearing loss. Together, these results suggest that a major cause of cochlear defects in these ciliary mutants is a misregulation of SHH signaling, which may account for hearing loss in a certain group of ciliopathies.