Fate conversion mediates restoration of mature GABAergic neuronal identity in Huntington’s disease

Abstract

선조체는 striosome과 matrix라는 전사체적·기능적으로 이질적인 두 구획으로 구성되어 있으며, 각각은 도파민 수용체 발현, 피질 입력, 운동 및 감정 조절 회로에서 서로 다른 기능을 수행한다. 특히 D2 수용체를 발현하는 striosomal MSN은 간접경로(indirect pathway)의 핵심을 이루며, 헌팅턴병(Huntington’s disease, HD)에서 가장 이르게 선택적으로 손상되는 신경세포 유형으로 알려져 있다. 본 연구에서는 astrocyte-to-neuron conversion 전략을 이용하여 HD 마우스 모델(R6/2)에서 손상된 striatal GABAergic MSN의 회복 가능성을 평가하고, 전사인자 Ascl1과 NeuroD1의 전환 기전 및 아형 특이성을 비교하는 것을 목적으로 하였다. Part 1에서는, Ascl1이 astrocyte의 반응성 마커(GFAP, C3)를 억제하고, GABA 및 DARPP-32의 발현을 증가시켜 GABAergic 운명 전환을 유도함을 확인하였다. 단일세포 핵 RNA 시퀀싱(snRNA-seq) 분석에서는 Meis2, Epha5, Dlx1을 포함하는 immature한 D2 striosomal 전구세포 cluster가 형성되었고, BrdU 계통추적 결과 해당 세포들이 분열성 astroglial 전구세포에서 유래함이 입증되었다. 이는 Ascl1이 간접적 경로를 통해 D2 striosomal MSN fate을 선택적으로 유도함을 의미한다. Part 2에서는, NeuroD1이 astrocyte의 정체성을 빠르게 소실시키며 직접적인 전환을 통해 성숙한 GABAergic MSN을 유도함을 밝혔다. NeuroD1 처리군에서는 striosome과 matrix 마커를 모두 발현하는 다양한 MSN 아형이 생성되었고, 행동 분석 결과 운동 및 반사 기능이 유의하게 회복되었다. 또한 KCC2 발현 증가를 통해 기능적 GABA 회로 통합 가능성도 확인되었다. 마지막으로는, 두 전사인자의 아형 선택성 및 기능 회복 능력을 비교하였다. Ascl1은 indirect pathway의 핵심인 D2 striosomal MSN을 선택적으로 복원할 수 있는 인자였으며, NeuroD1은 direct/indirect pathway를 포함하는 폭넓은 MSN 아형 회복과 행동 기능 개선을 유도하였다. 결과적으로 본 연구는 astrocyte-to-neuron conversion 전략이 HD의 병리적 회로 손상을 복원할 수 있는 실질적 접근임을 입증하며, 아형 특이성과 병태 단계에 따른 맞춤형 세포 치료 전략 수립의 기초적 근거가 될 것이다.

The striatum comprises two transcriptionally and functionally distinct compartments—striosomes and matrix— each playing unique roles in cortical input processing, dopamine receptor signaling, and motor/emotional regulation. Among these, D2 receptor-expressing striosomal medium spiny neurons (MSNs) are central components of the indirect pathway and are selectively and early degenerated in Huntington’s disease (HD), contributing to mood and behavioral impairments. In this study, we evaluated the potential of astrocyte-to-neuron reprogramming to restore striatal GABAergic MSNs in the R6/2 HD mouse model was assessed, comparing both Ascl1 and NeuroD1 transcription factors in terms of reprogramming mechanism and subtype specificity. This work is organized into three parts: Part 1 demonstrates that Ascl1 suppressed reactive astrocyte markers (GFAP and C3) and promoted the expression of GABA and DARPP-32, thereby facilitating a GABAergic neuronal fate. Single-nucleus RNA sequencing (snRNA-seq) revealed the emergence of immature D2 striosomal progenitor clusters the express Meis2, Epha5, and Dlx1. BrdU-based lineage tracing confirmed that these neurons originated from dividing astroglial precursors, indicating that Ascl1 acts via an indirect, progenitor-like reprogramming route. Part 2 exhibits that NeuroD1 enabled rapid and direct astrocyte conversion into mature GABAergic MSNs, spanning both striosomal and matrix identities. Behavioral analyses (rotarod, grip strength, and clasping) revealed significant functional recovery in NeuroD1-treated mice. Increased KCC2 expression supported the restoration of chloride homeostasis and potential circuit integration. Taken together, these results revealed that Ascl1 selectively restores D2 striosomal MSNs, which are crucial for the indirect pathway, whereas NeuroD1 promotes a broader recovery of MSN subtypes, accompanied by significant improvements in motor function. Comparative analyses in Part 3 revealed that these two transcription factors act via distinct yet complementary mechanisms, wherein Ascl1 primarily re-establishes compartmental identity and NeuroD1 facilitates earlier circuit-level recovery, thereby highlighting the therapeutic potential of tailored astrocyte-to-neuron reprogramming strategies for striatal circuit repair in HD. Collectively, this study demonstrated that astrocyte-to-neuron reprogramming offers a viable approach for restoring striatal circuitry in HD and provides a conceptual basis for developing subtype-specific and disease-stage-tailored regenerative therapies.