Characterization of Neural Stem Cells Using the Nestin Enhancer

Abstract

Nestin, one of the class VI intermediate filament, is known as a specific marker for neural stem cells and regulated by the enhancer located on the second intron of the gene. The second intron is highly conserved among species and crucial for the nestin expression in central nerve system (CNS) progenitor cells. The transgenic mice that constructed to express green fluorescence protein (GFP) with nestin enhancer have been developed and have great advantage to represent live neural stem cells during research in vivo and vitro. In this study, we characterized GFP expressing the neural stem cells or progenitors in vitro culture using various antibodies. We also investigated that ngn1, which is a basic helix-loop-helix (bHLH) transcription factor that is expressed in neuronal precursors during development of the nervous system, can promote nestin expression by nestin enhancer located on nestin 2nd intron. Two E-boxes (CANNTG) in 637bp of the nestin 2nd intron (nestin enhancer) were thought to be strong candidates for bHLH factors during the early neurogenesis. ngn1 increased the second E-box mediated reporter gene activity. To evaluate the functional mechanism of E-box mediated nestin gene expression in vivo, we generated transgenic (Tg) mice with the 637bp fragment of nestin second intron containing the wild type or a mutated E-boxes. Wild type tg mice successfully exhibited CNS-specific LacZ expression. In contrast, tg mice containing the mutant sequence exhibited very few lacZ-stained cells or a few positive cells in ectopic sites. These results indicate that proneural ngn1 promotes the nestin expression through a E-box located in the nestin second intron. Finally, we also performed microarray to characterize the GFP positive and negative cells in nestin-GFP tg mice neurosphere. The microarray profile may help to understand the meaning of GFP in the tg neural stem cells and may give cue to isolate neural stem cell from progenitors.

신경계의 신경줄기세포(Neural Stem Cell; NSC)는 발생 과정 중 다양한 내부 혹은 외부적인 요인으로부터 영향을 받아 신경계를 구성하는 신경세포 혹은 교세포등 적절한 세포로 분화하여 자신이 맡은 역할을 하게 된다. 이 때 basic helix-loop-helix(bHLH) 전사인자들은 신경줄기세포가 신경세포 (Neuron), 혹은 교세포(Glia)로 분화하는데 결정적인 역할을 하게 된다. 특히 Neurogenins(ngns)은 신경줄기세포가 각각 neuron로 분화하도록 결정짓는 역할을 하는 중요한 인자로 생각되고 있다. 신경줄기세포의 표지인자로 잘 알려져 있는 nestin은 신경줄기세포에서 특이적으로 세포내에서 발현하는 중간형 세사(intermediate filament protein) 으로 알려져 있다. 이 nestin은 신경줄기세포뿐 아니라 심장근세포, 성상세포(astrocyte)등의 세포에서도 발현일 되는 것으로 알려졌다 이는 nestin의 발현에서 세포의 성격에 따라 작용하는 enhancer가 다르고, 이중 nestin의 두번째 intron은 중추신경계에서 nestin 단백질 발현을 조절하는 enhancer로 작용한다. 또한 nestin이 중추신경계의 신경전구세포(neural progenitor cell)에서 발현할 때, nestin의 두 번째 intron중 종간 매우 비슷하게 유지되어있는 637bp으로도 nestin의 발현을 조절할 수 있다. 살아있는 신경줄기세포에서 nestin의 발현을 표시하는 방법은 reporter gene의 도입이외에는 특별한 방법이 없다. 세포에는 세포막에 여러 가지 단백질과 당 등으로 구성되는 여러 종류의 receptor 및 구조가 존재하며, 이는 surface marker로 쓰일 수 있다. 따라서 nestin 이외의 다른 surface marker의 발현을 확인한다면 다른 표지인자를 이용하여 살아있는 순수 줄기세포의 분리가 용이할 것이다. 본 연구에서는 신경전구세포(neural progenitor cell)에서 nestin enhancer로 알려진 두 번째 intron의 637bp(NIN)의 활성을 조사하고, 그러한 활성 조절인자로서 bHLH의 역할을 조사하며, NIN-LacZ로 형질 전환된 마우스를 이용하여 bHLH 전사인자의 역할을 규정하는데 있다. 또한 Nestin-GFP 형질전환 생쥐의 GFP 발현 세포의 성격을 파악하고, microaray로 GFP 를 발현하지 않는 세포와의 차이를 확인하였다.