Investigating the effect of in vivo reprogramming using OCT4 and SOX2 on neurogenesis and motor function preservation in a Huntington's disease mouse model

Abstract

Huntington's disease (HD) is a progressive neurodegenerative disorder characterized by motor dysfunction, cognitive decline, and psychiatric symptoms. Despite advancements in understanding its molecular mechanisms, no disease-modifying treatments are currently available. In vivo reprogramming using transcription factors like OCT4 and SOX2 has shown promise for neurodegenerative diseases by promoting neuronal regeneration. This study investigates the effects of in vivo reprogramming using OCT4 and SOX2 in the R6/2 mouse model of HD. Mice received stereotaxic injections of AAV vectors encoding OCT4 or SOX2, and their motor function, neuronal differentiation, and safety were evaluated. In vivo reprogramming with OCT4 and SOX2 led to better-preserved brain weight, suggesting protection against HD-related atrophy. Motor function was significantly improved, with AAV4-OCT4 and AAV4-SOX2 treated mice showing slower declines in rotarod performance and higher grip strength compared to PBS and AAV4-Null control groups. AAV4 vectors, which localize to ependymal cells, primarily target neural progenitors within the subventricular zone, driving neuronal differentiation, while moderate interaction with astrocytes suggests a supplementary role. Immunohistochemistry and qRT-PCR analyses revealed a significant increase in Nestin+/BrdU+ cells in the subventricular zone and elevated DARPP32+/BrdU+ cells in the striatum of the AAV4-OCT4 and AAV4-SOX2 groups, suggesting enhanced neurogenesis and neuronal differentiation. qRT-PCR further showed a significant upregulation of neuronal markers, such as Nestin, GAD67, Tuj-1, and GABAAα1, indicating that OCT4 and SOX2 play a role in promoting neuronal differentiation and the proliferation of neural progenitor cells. Interestingly, the significant reduction in GFAP combined with in vitro evidence, suggests that OCT4 and SOX2 can induce astrocyte-to-neuron conversion. No tumor formation was observed, confirming the safety of this therapeutic approach. These findings suggest that in vivo reprogramming using OCT4 and SOX2 holds potential as a therapeutic strategy for HD, with the ability to enhance neurogenesis and preserve motor function.

헌팅턴병(Huntington’s disease)은 운동 기능 장애, 인지 기능 저하, 그리고 정신과적 증상을 특징으로 하는 진행성 신경퇴행성 질환이다. 분자 메커니즘에 대한 이해가 발전했음에도 불구하고, 현재까지 질병을 근본적으로 치료할 수 있는 방법은 없다. OCT4와 SOX2와 같은 전사 인자를 활용한 생체 내 리프로그래밍은 신경 퇴행성 질환에서 신경 재생을 촉진하는 잠재력을 보이고 있다. 본 연구에서는 헌팅턴병 마우스 모델(R6/2)을 사용하여 OCT4와 SOX2를 이용한 생체 내 리프로그래밍의 효과를 조사하였다. AAV 벡터를 사용하여 OCT4 또는 SOX2를 발현시켰고, 이를 통해 운동 기능, 신경 분화, 그리고 안전성을 평가하였다. 연구 결과, OCT4와 SOX2를 이용한 생체 내 리프로그래밍은 헌팅턴병과 관련된 뇌 위축을 방지하고, 뇌 무게를 보존하는 데 기여함을 확인하였다. 또한, OCT4와 SOX2 처리 그룹에서 회전 막대 성능 저하 속도가 느려지고, 그립 강도가 증가하여, 운동 기능이 유의미하게 개선되었다. AAV4 벡터는 주로 뇌실막세포(ependymal cells)에 국소화되며, 측실하부 내 신경 전구세포를 주로 표적으로 삼아 신경 분화를 유도하였다. 면역조직화학 및 실시간 정량적 역전사 중합효소 연쇄반응(qRT-PCR) 분석 결과, 측실하부에서 Nestin+/BrdU+ 세포가 유의미하게 증가하였고, 선조체에서는 DARPP32+/BrdU+ 세포가 AAV4-OCT4 및 AAV4-SOX2 그룹에서 유의미하게 증가한 것을 확인하였다. 또한 qRT-PCR 분석을 통해 Nestin, GAD67, Tuj-1, GABAAα1과 같은 신경 세포 마커들의 발현이 증가함을 확인할 수 있었다. 이는 OCT4와 SOX2가 신경 재생과 신경 전구 세포의 뉴런으로의 분화를 촉진함을 시사한다. 흥미롭게도, 성상세포 마커인 GFAP의 발현은 감소하였다. 이는 OCT4와 SOX2가 성상세포를 부분적으로 신경 전구세포로 리프로그래밍하는 보조적인 역할을 할 수 있음을 시사하며 이를 in vitro 실험을 통해 확인하였다. 또한 본 연구에서는 종양 형성이 관찰되지 않아 이 방법의 안전성 또한 입증되었다. 이러한 결과는 OCT4와 SOX2를 이용한 생체 내 리프로그래밍이 헌팅턴병 치료에서 신경 재생을 촉진하고 운동 기능을 보존할 수 있는 잠재적인 치료 전략임을 시사한다.