복잡한 질환에 대한 연구는 전통적으로 환원주의적 방법에 의존해 왔으며, 이러한 방법은 유익하긴 하지만 생물학적 시스템에 내재된 역동적 상호작용과 전반적 연계성을 간과하는 경향이 있다. 스트레스에 대한 생리적 적응과 변화를 통해 안정성을 유지하는 데 초점을 두는 개념인 항상성(올로스타시스, allostasis)은 이러한 질환을 이해하는 데 유용한 관점을 제공한다. 본 종설은 항상성 프레임워크가 만성적인 정신사회적 압박, 약물 남용, 만성 감염과 같은 만성 스트레스 요인에 의해 누적되어 부과되는 생리적 부담—즉 allostatic load(항정성 부담)—을 어떻게 정의하는지 요약한다. 또한 적응적 생리 변화, 즉 alwaysatic state(항정성 상태)의 변화가 질환, 특히 약물중독, 면역질환, 암의 발생에 어떻게 기여하는지를 탐색한다. 이어서 다중 오믹스 접근법, 유도만능줄기세포(induced pluripotent stem cells, iPSCs), 오가노이드 기술과 같은 최첨단 기술을 사용하여 스트레스 적응 기전을 밝히는 최근 연구들을 검토한다. 고도화된 기술과 항상성 프레임워크를 결합한 이러한 통합적 접근은 복잡한 질환의 병인 기전에 대한 이해를 심화시키고, 보다 효과적인 진단 및 치료 전략 개발에 정보를 제공할 수 있다.

서론/배경: 세포-세포 접촉은 세포 증식을 억제하지만, 심근세포에서 접촉 매개 억제의 기전에 대해서는 아직 충분히 이해되지 않았다. 우리는 이전에 인슐린양 성장인자 결합 단백질 2(IGFBP2)를 세포-세포 접촉이 존재하는 경우 하향 조절되는 증식 촉진 인자로 확인하였으며, 이는 물리적 세포 접촉이 흔한 3차원 환경에서 심근세포 증식을 조절하는 데 잠재적 의미가 있다. 가설: IGFBP2는 사람 심근세포 증식의 접촉 매개 조절에서 핵심적인 역할을 한다고 가정한다. 방법/결과: 사람 유도만능줄기세포 유래 심근세포(hiPSC-CMs)를 사용하여, 증식 촉진 조건(Wnt 활성화: CHIR-99021)을 하에서 심근세포 증식에서 IGFBP2의 역할을 규명하였다. 먼저 세포-세포 접촉의 정도를 달리했을 때 IGFBP2 발현을 확인한 결과, 세포-세포 접촉이 증가할수록 IGFBP2 분비는 감소하였다. 저접촉 조건에서 IGFBP2가 심근세포 증식에 필수적인지 확인하기 위해 siRNA 매개 IGFBP2 억제(KD)를 수행하였고, 그 결과 심장 트로포닌 T+ 핵 수가 29.2% 감소함을 확인하였다. 또한 IGFBP2 KD 배양에서 얻은 조건배지를 통해, IGFBP2 분비가 심근세포 증식에 필요함을 확인하였다. IGFBP2를 12일 동안 연속 처리한 경우, 기저 배지 처리 대조군에 비해 구형체(spheroid) 부피가 8.12배 증가하였고 핵분열(karyokinesis)은 3.84배 증가하였다. CHIR 처리 단독과 비교하면, IGFBP2 처리는 구형체 부피를 1.74배, 핵분열을 1.38배 추가로 증가시켜, 고접촉 조건에서도 심근세포 증식을 촉진할 수 있음을 보여주었다. 이러한 IGFBP2-유도 3차원 확장은 세 개의 서로 다른 iPSC 라인에서 일관되게 관찰되었다. 마지막으로, IGFBP2-유도 심근세포 증식은 Wnt 및 Hippo 신호와는 무관했으나 AKT 활성과는 연관되었다. 결론: 본 연구의 결과는 IGFBP2가 hiPSC-CM 증식의 핵심 조절자임을 보여준다. IGFBP2를 외인성으로 보충하면, CHIR 처리 단독으로 지속되는 접촉 매개 증식 억제를 효과적으로 극복하면서 hiPSC-CM의 완전한 분열을 가능하게 한다. 이러한 결과는 3차원 심장 조직공학 응용에서 심근세포 증식을 강화하기 위한 잠재적 표적 인자로 IGFBP2를 제시한다.

배경: 체내(in situ)에서 심근세포(cardiomyocyte)의 증식을 유도하는 것은 손상 후 심근 재생을 위한 유망한 전략이다. 그러나 심근세포는 증식 촉진 신호를 약화시키고 그 확장을 제한하는 고유의 억제 기전을 지니고 있다. 우리는 세포-세포 접촉이 심근세포 증식을 억제하는 핵심 요인일 것이라고 가설을 세웠다. 3차원 환경에서 지속적인 증식을 가능하게 하기 위한 기저 분자 경로를 규명하는 것을 목표로 하였다. 방법: 사람 유도만능줄기세포(human induced pluripotent stem cell) 유래 심근세포(hiPSC-CM)를 다양한 도말( plating ) 밀도로 배양하여 세포-세포 접촉이 세포주기 활성에 미치는 영향을 조사하였다. 세포 밀도가 낮은 배양과 높은 배양에서 인산화 단백질체(phosphoproteomic) 분석을 수행하여 신호 전달의 변화를 확인하였다. 또한 세포 밀도가 낮은 배양에서 얻은 배양상등액(conditioned media)을 사람 성장인자 배열(human growth factor array)로 분석하여 분비되는 증식 촉진 인자를 동정하였다. 결과: hiPSC-CM의 증식은 세포 간 접촉이 형성되기 전까지 도말 밀도에 비례하여 증가하였으며, 접촉이 형성된 이후에는 증식이 억제되었다. 조밀한 배양에서는 부착부착 접합(adherens junction)의 조립, 사르코메어(sarcomeric) 조직화 및 수축 기능이 향상되었다. 조밀한 조건에서 세포-세포 접촉이 증가하면 β-catenin의 핵 이동이 감소하고 TCF/LEF(T cell factor/lymphoid enhancer factor family) 전사 활성이 감소하여, 감소된 hiPSC-CM 증식의 기전적 근거를 제공하였다. 부착부착 접합 또는 사르코메어 조립을 siRNA 매개 상향조절(knockdown)으로 N-cadherin 또는 α-actinin을 각각 억제하여 교란한 결과, hiPSC-CM의 세포주기 활성은 증가하였으나, 이는 hiPSC-CM의 분열을 유도하기에는 충분하지 않았다. 추가로, 세포 밀도가 낮게 도말된 hiPSC-CM에서의 배양상등액 내 후보 분비 성장인자를 스크리닝한 결과, IGFBP2(인슐린양 성장인자 결합 단백질 2, insulin-like growth factor-binding protein 2)의 농축이 확인되었고, 이는 3차원 구성에서 세포-세포 접촉이 있는 조건에서도 hiPSC-CM 분열을 유도하기에 충분하였다. 결론: 본 연구 결과는 세포-세포 접촉이 부착부착 접합 형성, 사르코메어 조립 및 IGFBP2 분비 감소를 통해 hiPSC-CM 증식을 억제함을 보여준다. 또한 외인성 IGFBP2의 보충은 세포-세포 접촉에 의해 매개되는 hiPSC-CM 증식 억제를 극복하고 3차원 심장 조직의 성장을 촉진할 수 있음을 시사한다. 이러한 통찰은 심장 조직 공학 및 재생 치료의 발전에 의미 있는 함의를 제공한다.

G256E 변이는 다양한 규모에서 나타나는 특징을 통해 이 유전자 변이의 병원성을 부각한다. 단일세포 전사체 및 대사 프로파일링 결과 미토콘드리아 유전자의 상향 조절과 미토콘드리아 호흡의 증가가 확인되어, 초기 생체에너지 변화가 나타남을 시사하였다. 본 연구는 단백질 및 수축성 소기관 수준에서 유전자 변이의 병원성을 체계적으로 평가하고, 그에 따른 세포 및 조직 기능에 대한 초기 결과를 규명하는 데 있어 다중 스케일 플랫폼의 이점을 보여준다. 우리는 이 플랫폼이 다른 유전성 심혈관 질환의 기저에 있는 유전자형-표현형 간 관계를 규명하는 데 도움이 될 수 있다고 생각한다.

복잡한 질환에 대한 연구는 전통적으로 환원주의적 방법에 의존해 왔으며, 이러한 방법은 유익하긴 하지만 생물학적 시스템에 내재된 역동적 상호작용과 전반적 연계성을 간과하는 경향이 있다. 스트레스에 대한 생리적 적응과 변화를 통해 안정성을 유지하는 데 초점을 두는 개념인 항상성(올로스타시스, allostasis)은 이러한 질환을 이해하는 데 유용한 관점을 제공한다. 본 종설은 항상성 프레임워크가 만성적인 정신사회적 압박, 약물 남용, 만성 감염과 같은 만성 스트레스 요인에 의해 누적되어 부과되는 생리적 부담—즉 allostatic load(항정성 부담)—을 어떻게 정의하는지 요약한다. 또한 적응적 생리 변화, 즉 alwaysatic state(항정성 상태)의 변화가 질환, 특히 약물중독, 면역질환, 암의 발생에 어떻게 기여하는지를 탐색한다. 이어서 다중 오믹스 접근법, 유도만능줄기세포(induced pluripotent stem cells, iPSCs), 오가노이드 기술과 같은 최첨단 기술을 사용하여 스트레스 적응 기전을 밝히는 최근 연구들을 검토한다. 고도화된 기술과 항상성 프레임워크를 결합한 이러한 통합적 접근은 복잡한 질환의 병인 기전에 대한 이해를 심화시키고, 보다 효과적인 진단 및 치료 전략 개발에 정보를 제공할 수 있다.

서론/배경: 세포-세포 접촉은 세포 증식을 억제하지만, 심근세포에서 접촉 매개 억제의 기전에 대해서는 아직 충분히 이해되지 않았다. 우리는 이전에 인슐린양 성장인자 결합 단백질 2(IGFBP2)를 세포-세포 접촉이 존재하는 경우 하향 조절되는 증식 촉진 인자로 확인하였으며, 이는 물리적 세포 접촉이 흔한 3차원 환경에서 심근세포 증식을 조절하는 데 잠재적 의미가 있다. 가설: IGFBP2는 사람 심근세포 증식의 접촉 매개 조절에서 핵심적인 역할을 한다고 가정한다. 방법/결과: 사람 유도만능줄기세포 유래 심근세포(hiPSC-CMs)를 사용하여, 증식 촉진 조건(Wnt 활성화: CHIR-99021)을 하에서 심근세포 증식에서 IGFBP2의 역할을 규명하였다. 먼저 세포-세포 접촉의 정도를 달리했을 때 IGFBP2 발현을 확인한 결과, 세포-세포 접촉이 증가할수록 IGFBP2 분비는 감소하였다. 저접촉 조건에서 IGFBP2가 심근세포 증식에 필수적인지 확인하기 위해 siRNA 매개 IGFBP2 억제(KD)를 수행하였고, 그 결과 심장 트로포닌 T+ 핵 수가 29.2% 감소함을 확인하였다. 또한 IGFBP2 KD 배양에서 얻은 조건배지를 통해, IGFBP2 분비가 심근세포 증식에 필요함을 확인하였다. IGFBP2를 12일 동안 연속 처리한 경우, 기저 배지 처리 대조군에 비해 구형체(spheroid) 부피가 8.12배 증가하였고 핵분열(karyokinesis)은 3.84배 증가하였다. CHIR 처리 단독과 비교하면, IGFBP2 처리는 구형체 부피를 1.74배, 핵분열을 1.38배 추가로 증가시켜, 고접촉 조건에서도 심근세포 증식을 촉진할 수 있음을 보여주었다. 이러한 IGFBP2-유도 3차원 확장은 세 개의 서로 다른 iPSC 라인에서 일관되게 관찰되었다. 마지막으로, IGFBP2-유도 심근세포 증식은 Wnt 및 Hippo 신호와는 무관했으나 AKT 활성과는 연관되었다. 결론: 본 연구의 결과는 IGFBP2가 hiPSC-CM 증식의 핵심 조절자임을 보여준다. IGFBP2를 외인성으로 보충하면, CHIR 처리 단독으로 지속되는 접촉 매개 증식 억제를 효과적으로 극복하면서 hiPSC-CM의 완전한 분열을 가능하게 한다. 이러한 결과는 3차원 심장 조직공학 응용에서 심근세포 증식을 강화하기 위한 잠재적 표적 인자로 IGFBP2를 제시한다.

배경: 체내(in situ)에서 심근세포(cardiomyocyte)의 증식을 유도하는 것은 손상 후 심근 재생을 위한 유망한 전략이다. 그러나 심근세포는 증식 촉진 신호를 약화시키고 그 확장을 제한하는 고유의 억제 기전을 지니고 있다. 우리는 세포-세포 접촉이 심근세포 증식을 억제하는 핵심 요인일 것이라고 가설을 세웠다. 3차원 환경에서 지속적인 증식을 가능하게 하기 위한 기저 분자 경로를 규명하는 것을 목표로 하였다. 방법: 사람 유도만능줄기세포(human induced pluripotent stem cell) 유래 심근세포(hiPSC-CM)를 다양한 도말( plating ) 밀도로 배양하여 세포-세포 접촉이 세포주기 활성에 미치는 영향을 조사하였다. 세포 밀도가 낮은 배양과 높은 배양에서 인산화 단백질체(phosphoproteomic) 분석을 수행하여 신호 전달의 변화를 확인하였다. 또한 세포 밀도가 낮은 배양에서 얻은 배양상등액(conditioned media)을 사람 성장인자 배열(human growth factor array)로 분석하여 분비되는 증식 촉진 인자를 동정하였다. 결과: hiPSC-CM의 증식은 세포 간 접촉이 형성되기 전까지 도말 밀도에 비례하여 증가하였으며, 접촉이 형성된 이후에는 증식이 억제되었다. 조밀한 배양에서는 부착부착 접합(adherens junction)의 조립, 사르코메어(sarcomeric) 조직화 및 수축 기능이 향상되었다. 조밀한 조건에서 세포-세포 접촉이 증가하면 β-catenin의 핵 이동이 감소하고 TCF/LEF(T cell factor/lymphoid enhancer factor family) 전사 활성이 감소하여, 감소된 hiPSC-CM 증식의 기전적 근거를 제공하였다. 부착부착 접합 또는 사르코메어 조립을 siRNA 매개 상향조절(knockdown)으로 N-cadherin 또는 α-actinin을 각각 억제하여 교란한 결과, hiPSC-CM의 세포주기 활성은 증가하였으나, 이는 hiPSC-CM의 분열을 유도하기에는 충분하지 않았다. 추가로, 세포 밀도가 낮게 도말된 hiPSC-CM에서의 배양상등액 내 후보 분비 성장인자를 스크리닝한 결과, IGFBP2(인슐린양 성장인자 결합 단백질 2, insulin-like growth factor-binding protein 2)의 농축이 확인되었고, 이는 3차원 구성에서 세포-세포 접촉이 있는 조건에서도 hiPSC-CM 분열을 유도하기에 충분하였다. 결론: 본 연구 결과는 세포-세포 접촉이 부착부착 접합 형성, 사르코메어 조립 및 IGFBP2 분비 감소를 통해 hiPSC-CM 증식을 억제함을 보여준다. 또한 외인성 IGFBP2의 보충은 세포-세포 접촉에 의해 매개되는 hiPSC-CM 증식 억제를 극복하고 3차원 심장 조직의 성장을 촉진할 수 있음을 시사한다. 이러한 통찰은 심장 조직 공학 및 재생 치료의 발전에 의미 있는 함의를 제공한다.

G256E 변이는 다양한 규모에서 나타나는 특징을 통해 이 유전자 변이의 병원성을 부각한다. 단일세포 전사체 및 대사 프로파일링 결과 미토콘드리아 유전자의 상향 조절과 미토콘드리아 호흡의 증가가 확인되어, 초기 생체에너지 변화가 나타남을 시사하였다. 본 연구는 단백질 및 수축성 소기관 수준에서 유전자 변이의 병원성을 체계적으로 평가하고, 그에 따른 세포 및 조직 기능에 대한 초기 결과를 규명하는 데 있어 다중 스케일 플랫폼의 이점을 보여준다. 우리는 이 플랫폼이 다른 유전성 심혈관 질환의 기저에 있는 유전자형-표현형 간 관계를 규명하는 데 도움이 될 수 있다고 생각한다.

서론 및 가설: 인간 유도만능줄기세포(hiPSC) 및 그 유래물은 재생 심장 치료를 위한 유망한 세포 공급원으로 여겨진다. 그러나 대규모의 hiPSC 유래 심근세포(hiPSC-CMs)를 생성하는 일은 여전히 주요한 난제로 남아 있는데, 이는 부분적으로 치밀한 배양 조건에서의 세포 접촉에 의해 유도되는 증식 억제 때문인 것으로 알려져 있다. 우리는 희소 배양 대 치밀 배양 조건에서 서로 다르게 분비되는 인자들이 희소 배양된 hiPSC-CMs의 증가된 증식 속도를 유발하는 데 책임이 있다고 가설을 세웠다. 방법: 우리는 고효율 스크리닝(HTS) 분석을 수행하여 희소 및 치밀 배양된 hiPSC-CMs의 상등액에서 방출되는 성장인자(GFs)를 동정하였다. 치밀 대 희소 배양 조건에서의 후보 GFs의 차등 발현은 단일세포 RNA 시퀀싱(scRNAseq), 웨스턴 블롯(WB), 면역세포화학(ICC) 분석을 통해 확인하였다. 확인된 GF 후보들은 GF 처리 후 hiPSC-CMs에서 세포주기 표지자인 Ki67의 발현을 측정함으로써 추가로 검증하였다. 세포-세포 접촉에 대한 GF 처리의 효과는 siRNA 기반 N-카데헤린(CDH2) 넉다운(KD) in vitro 모델을 사용하여 기전적으로 추가 탐색하였다. 결과: 우리의 HTS 분석은 희소 배양 상등액에서 상위 후보 성장인자로 IGFBP2, IGFBP6, PDGF-AA를 동정하였다. 이어진 WB, ICC, scRNAseq 분석은 치밀 조건에 비해 희소 조건에서 IGFBP2 발현이 각각 1.5배, 3.5배, 2.0배 더 높음을 확인하였다. 재조합 IGFBP2를 치밀 배양된 hiPSC-CMs에 보충한 결과, 대조군에서 13.0 +/- 1.4%였던 Ki67 발현 수준이 3nM IGFBP2 처리 후 44.1 +/- 8.4%로 증가하였으며, 이는 희소 배양 조건에서 달성된 수준과 유사하였다. 기전적으로, IGFBP2 처리는 CDH2의 세포-세포 접합부 위치가 세포질로 이동하는 변화를 유발하였다. 세포-세포 접촉의 상실을 모사하기 위해 CDH2-KD로 CDH2 발현을 감소시키자 hiPSC-CM의 증식이 촉진되었다. 결론: 우리는 IGFBP2가 hiPSC-CM 증식의 세포 접촉 매개 억제를 극복하는 예기치 않은 역할을 발견하였으며, 이는 재생 목적의 in situ 대규모 3차원 심장 조직을 공학적으로 설계하기 위한 유망한 새로운 접근을 제공한다.

(STAR Protocols 2, 100334; 2021년 3월 19일) 그림 2에서 P3 이미지는 1번 그림의 B27 P4 이미지가 의도치 않게 중복되어 사용되어, 부정확한 표현이 이루어졌다. 수정된 그림 2의 버전은 아래에 제시되어 있다. 저자들은 이 오류에 대해 유감을 표하며, 이로 인한 혼동이 있었다면 사과한다.[Figure

트로포닌 복합체는 미세섬유(thin filaments)의 핵심 구성요소이며, 심장 및 골격근을 포함한 줄무늬근에서 칼슘 매개 조절을 통해 수축과 이완을 조절하는 데 필수적인 역할을 한다. 이 복합체의 한 소단위인 트로포닌 I는 근육 이완 동안 액토미오신(actomyosin) 상호작용을 억제한다. 그 기능은 사후번역 조절(posttranslational modifications), 특히 인산화(phosphorylation)에 의해 정교하게 조율되며, 이는 칼슘 감수성과 액틴 친화성을 변화시켜 결과적으로 근육 수축에 영향을 미친다. 트로포닌 I의 돌연변이는 다양한 인간 질환과 밀접하게 연관되어 있다. 구체적으로, 심장 트로포닌 I의 여러 돌연변이는 비대성, 확장성 및 제한성 심근병증과 같은 심근병증에 연관되어 있으며, 이는 심장의 수축력 및 칼슘 처리(calcium handling)에 영향을 준다. 본 총설에서는 트로포닌 I의 구조, 근육 수축에서의 기능적 역할, 진화(evolution)를 포함한 다면적인 측면을 탐구하고, 사후번역 조절과 유전적 돌연변이 간의 복합적 상호작용이 그 기능을 변화시켜 질병 진행에 기여하는 기전을 논의한다.

서론: 비후성 심근병증(Hypertrophic cardiomyopathy, HCM)은 MYH7과 같은 sarcomere 유전자에서의 이형접합(heterozygous, HET) 돌연변이에 의해 발생하는 단일유전자 질환이다. 최근 사람 유도 만능줄기세포 유래 심근세포(human-induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes, hiPSC-CMs) 중 HET HCM 돌연변이를 보유한 세포는 HCM의 분자적 기전에 대한 새로운 통찰을 제공하였다. 그러나 MYH7 G256E와 같은 HET 미스센스 돌연변이에서 나타나는 표현형 변이의 원인과, 대립유전자 불균형이 표현형 침투성(phenotype penetrance)에 미치는 역할은 여전히 불명확하다. 가설: 우리는 MYH7 G256E와 같은 임상적으로 침투성이 다양한 HCM 미스센스 돌연변이를 보유한 hiPSC-CM이 유전자 용량(gene dose)에 의존하는 질환 표현형을 나타내며, 이는 대립유전자 불균형이 다양한 질환 표현형 침투성의 원인으로서의 취약성을 시사한다는 가설을 세웠다. 방법: 우리는 침투성이 다양한 HCM 돌연변이인 MYH7 G256E에 대해 HET 및 동형접합(homozygous, HOM) hiPSC 라인을 생성하였다. 심장 분화 30일째에 wildtype(WT), HET, HOM iPSC-CM에서 다중화된 단일세포 RNA 시퀀싱 및 정량적 프로테오믹스 분석을 수행하였다. 또한 MYH7 변이 대립유전자 발현을 조사하기 위해 추가적인 Digital Droplet PCR 연구를 수행하였다. 기능적 수축성 표현형은 Sony SI8000 Cell motion imaging 시스템으로 평가하였다. 결과: HET iPSC-CM에서 전사체 및 단백질체 수준 모두에서 큰 클론 간(clone-to-clone) 및 배치 간(batch-to-batch) 변이가 관찰되어, HET MYH7 G256E vs WT CM 간의 일관된 변이 표현형의 확인을 가렸다. 이러한 표현형은 변이 대립유전자 vs WT의 mRNA 및 단백질 발현이 1:1 bulk 비율로 나타난 것과 상관관계를 보였으나, 전반적인 MYH7 유전자 및 단백질 발현 수준은 유사하게 유지되었다. WT, HET 및 HOM CM의 전사체 및 단백질체 분석 결과, NPPB(mRNA: HET vs WT: +1.76x p .adj=7.0*10 -7 , HOM vs WT: +5.42x p.adj=1.5*10 -48 ; 단백질: HET vs WT: +1.15x, 95% CI [0.86, 1.58]; HOM vs WT: +1.51x, 95% CI [1.12, 2.01])와 같은 알려진 비후 반응(hypertrophy response) 표지자의 유전자 용량 의존적 조절이 나타났으며, 이는 기능적으로 수축성 증가(수축 속도(μm/s): WT: 5.84 +/-2.24, HET: 6.04 +/-2.89, HOM: 7.77 +/-3.352, p=0.3*10 -2 ANOVA) 및 부정맥의 더 빈번한 발생(WT: 1/46, HET: 0/55, HOM: 5/41)과 상관되었다. 결론: MYH7 G256E 변이 iPSC-CM에서의 비후성 질환 표현형은 전사체, 단백질체 및 기능 수준에서 유전자 용량 의존적 침투성을 보인다. 이는 다양한 질환 침투성의 잠재적 원인으로서 대립유전자 불균형에 대한 취약성이 있음을 시사한다.

) 3T3-L1 전구지방세포에서, 비만 관련 표지자를 조절하는 데 있어 핵심적인 역할을 강조한다.