녹아웃(KO) 마우스 | Cyagen Korea

독자분께서 학술연구 통찰력을 유지하고, 과학연구 효율을 향상할수 있도록 Cyagen 칼럼 “Gene of the Week”는 매주 인기 연구분야의 한가지 유전자를 소개하여, 유전자 기본정보, 연구개황과 응용배경 등을 자세히 소개해 드리오니 많은 관심 부탁드립니다. 오늘의 주인공은 근위축성측삭경화증, 전두측두엽 치매 등 신경 퇴행성 질환의 유발 유전자인 TARDBP 입니다.

 

유전자 기본 정보

Species

Human

Mouse

Rat

Chromosome

1

4

5

Full Length (bp)

17,875

14,834

10,144

mRNA (nt)

4,185

7,454

2,923

Numbers of exons

7

8

8

Numbers of amino acids

414

414

414

Gene Family

PABPC4, PABPC1, PABPC1L, PABPC3, RBM45

비고: √로 체크된 것은 Cyagen AI Knock-Out Mouse Model eBank에서 이용할 수 있는 해당 모델을 나타낸다.

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TARDBP 유전자 연구 상황

TARDBP 유전자가 코딩한 TDP-43 (TAR DNA binding protein 43) 단백질은 DNARNA와 모두 결합할 수 있어 세포 내에서의 RNA 전사, 선택적 스플라이싱과 mRNA의 안정성 조절 측면에 중요한 역할을 한다. 람들에게 알려진 것은 주요하게 해당 단백질의 집결과 유비퀴틴화로 형성된 단백질 봉입체가 근위축성 축삭경화증 ALS(amyotrophic lateral sclerosis)와 전두측두엽 치매 FTLD (frontotemporal lobar degeneration) 환자의 손상 부위 세포 내에서 측정될 수 있기 때문이다. 또한 약 1/3의 알츠하이머병 환자에게서도 TDP-43의 이상변화가 측정된다. 현재 가족성 ALS 병례에서 이미 40여개 TARDBP의 돌연변이가 검증되었다.

 

Cyagen | Figure 1: TDP-43 structure and disease-related mutations.

그림1. TDP-43 구조 및 질병 관련 돌연변이. 왼쪽에서부터 오른쪽으로 볼때, TARDBP101개 아미노산의 아미노 말단(NTD)이 있고, 그 다음은 2개의 RNA 식별구역(RNA recognition motifs, RRM), 91개 아미노산의 RRM174개 아미노산의 RRM2이다. NTD 속에는 또 16아미노산 핵위치 신호(NLS), 11개 아미노산의 핵수송 신호구역(NES)이 각기 한개씩 있다. 마지막으로는 글리신이 풍부한 C말단이며, 미토콘드리온 위치구역(M1,M3M2)은 각자 다른 구역에 분산된다. 이외에 글리신이 풍부한 구역 내에는 글루타민산/아스파르트산이 풍부한 구역(Q/N)이 있다. 글리신이 풍부한 구역은 ALS 관련 돌연변이가 가장 빈번하게 발생하는 구역이다. 각자 다른 색상의 돌연변이 정보는 부동한 질병과 연관됨을 의미하는 바, sALS는 산발성 ALS 관련 돌연변이를 의미하고, fALS는 가족성 ALS 관련 돌연변이를 의미하며, FTLD는 전두측두엽 치매를 의미한다. 아래 쪽의 단백질 그림은 각기 TDP-43N단말, 2개 RNA 식별구 및 C단말의 3차원 구조를 나타낸다. 정보 출처: https://doi.org/10.3389/fnmol.2019.00025.

 

 

Cyagen | Figure 2: Functions of TDP-43. TDP-43 is involved in mRNA-related processes in cell nucleus, such as transcription, splicing, maintaining RNA stability, and processing of miRNA and lncRNA. Its main functions are completed in the nucleus, yet it also shuttles between nucleus and cytoplasm.

그림2. TDP-43 기능. TDP-43이 세포핵에서 mRNA 관련 과정에 참여한다. 예를 들면 전사, 스플라이싱, RNA의 안정성 유지 및 miRNAlncRNA의 가공이다. 그것의 주요 기능은 세포핵에서 완성되지만 세포핵과 세포질 사이에서 왕복하기도 한다. 세포질에서 TDP-43stress particle리보핵산단백질(RNP) 수송 과립의 형성 및 후자의 번역 등 과정에 참여한다. https://doi.org/10.3389/fnmol.2019.00025.

 

구분 단백질명 개술
RNA 결합단백질 FUS TDP-43은 FUS의 일부 아미노산과 상호작용한다. TDP-43의 ALS 관련 돌연변이는 FUS와의 상호작용을 강화한다. 이러한 상호작용을 방해하거나 차단하면 히스톤 탈아세틸화효소6(HDAC6) Mrna의 발현을 감소할 수 있다.
hnRNPAland hnRNPA2/Bl hnRNPs는 TDP-43의 C단말 구역과 상호작용하고, mRNA 스플라이싱과 TDP-43의 피드백 자동조절을 조절한다.
TIA1 TIA1는 응력 과립(SG)의 형성에 참여하고, 직접 또는 RNA의존의 SGs중에서 TDP-43과의 결합에 참여한다. ALS에서 발견한 TIA1 돌연변이는 TDP-43과의 분리 경향을 증가하였고, SGs의 정상적인 해체집성을 변화시켜 SGs중 TDP-43의 축적을 촉진한다.
RBM45 RBM45는 ALS와 FTLD 환자의 봉입체에서 집결한다. RBM45와 TDP-43의 중합체는 세포질 내에서 co-localization이 존재한다. 아직까지 ALS중 RBM45 돌변연이가 발생했다는 보도가 없다. 하지만 이미 존재하는 RBM45의 돌연변이는 TDP-43의 세포질 중합체를 초래해 미토콘드리온 기능에 손상을 준다.
Ataxin-2 Ataxin-2중의 폴리글루타민이 반복적으로 증가하는 것은 ALS의 유전적 위험 요소이다. 22개 글루타민을 함유한 Ataxin-2는 정상적이지만 27-33QS는 ALS 리스크를 증가시키고, >34qs가 존재할 경우, 척수소뇌실조증 2형(SCA2)과 연관된다. Ataxin-2는 TDP-43과 상호작용하고 RNA에 의존한다. ataxin-2 중의 폴리글루타민의 반복 증가도 ALS에서 발견되었으나, TDP-43의 분해와 인산화를 증가한다.
Matrin3 공동 면역침강법(Co-IP) 결과, Matrin3은 TDP-43과 상호작용하고 RNA의 존재에 의존한다. oMatrin3에 존재하는 S85C의 돌연변이는 TDP-43와의 상호작용을 강화한다.
면역반응 p62 and p65 (NFkB) TDP-43은 NFkB과 상호작용하고, ALS환자의 교질세포와 신경세포에서 NFkB의 보조활성자로서 proinflammatory cytokine과 신경독성 매개물의 발생을 유도한다.

 

구분 단백질명 개술
열충격반응과 단백질 가수분해 Hsp40 and Hsp70 Hsp40/Hsp70 co-chaperone 체계는 TDP-43의 c단말구역과 상호작용하고, 열충격이 유도한 TDP-43 집결을 억제한다. 열충격 단백질 SDNAJ B2는 Hsp70과 연관되며, TDP-43의 가용성 상태 유지를 통해 제거를 조절한다. 효모 Hsp40 상동유전자 Sis1의 과발현은 효모 모델에서 TDP-43의 독성을 감소한다.
DNAJB1 and DNAJB6 PDI DNAJB1(Hsp40 단백질, 포유동물 Sis1 동족체)의 과도 발현은 TDP-43에 의해 매개되는 설치류 초급 피질신경원 독성을 감소한다. DNAJB6의 과발현은 열충격이 유도한 TDP-43핵 집결의 형성을 억제한다. DNAJB6은 TDP-43의 무질서 c단말 구조와 상호작용하여 TDP-43의 집결을 조절하고, 기타 RNA결합 파트너와의 상호작용에 영향준다.
PDI 분자 샤페론(molecular chaperone) PDI는 돌연변이체 TDP-43과 상호작용하고 척수신경원 세포에 공존한다. PDI는 TDP-43중 이상 시스테인 결합을 막는데 참여할 수도 있다.
Parkin E3-유비퀴틴 연결효소 Parkin이 TDP-43을 유비퀴틴화하고 이와 함께 다단백질 복합물을 형성하며, TDP-43을 세포질 봉입체에 들어가도록 유도한다.
Ubiquilinl and Ubiquilin2 유비퀴틴 단백질의 돌연변이는 프로테아좀과 자가포식 통로의 기형적 변화에 참여한다. Ubiquilin2는 TDP-43과 높은 친화도로 결합하고 신경원 세포속에서의 폴리유비퀴틴 봉입체의 축적을 유도한다.
Optineurin Optineurin 돌연변이는 실명과 녹내장을 초래할 수 있다. 최근 optinurin은 ALS와 산발성 봉합체 근염의 TDP-43와 연관된다.
산화 스트레스 SOD1 ALS 관련 SOD1 돌연변이체는 TDP-43과 상호작용하여 세척제에 용해되지 않는 성분을 형성한다. 돌연변이체 SOD1과 TDP-43은 신경미세섬유 mRNA의 안정성을 협동 조절한다.
CHCHD10 CHCHD10은 일종의 미토콘드리온 단백질로서 막간 간격의 연결부위에서 발견되며, 미토콘드리온 구조와 산화 인산화를 조절한다. TDP-43과 CHCHD10은 상호작용을 할 수 있고 또 이를 세포핵에 위치하도록 유도하며, CHCHD10의 돌연변이는 세포질에서의 TDP-43의 집결을 초래할 수 있다.

 

ALS의 가족성 유전적 유전자 수량은 신경 퇴행성 질환 중에서 가장 많으므로 모델 종류 수량도 매우 많다. 하지만 유전자마다 돌연변이의 빈도수 또는 가족성 수량이 매우 적기에 Cyagen는 가장 흔한 SOD1, tdp-43 등에 대해 이미 상응한 질 모델을 개발하였고 또 ALS 기타 관련 유전자를 대상으로 한 모델도 지속적으로 개발 중에 있다.

 

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Genes

Full name

NCBIID

Status

Actb

Actin Beta

11461

Cryopreserved sperm

Atf4

Activating Transcription Factor 4

11911

Cryopreserved sperm

Bax

BCL2 Associated X, Apoptosis Regulator

12028

Cryopreserved sperm

Bcl2

BCL2 Apoptosis Regulator

12043

Cryopreserved sperm

Casp3

Caspase 3

12367

Cryopreserved sperm

Cat

Catalase

12359

Cryopreserved sperm

Mapkl4

Mitogen-Activated Protein Kinase 14

26416

Cryopreserved sperm

Mtor

Mechanistic Target Of Rapamycin Kinase

56717

Cryopreserved sperm

Nos2

Nitric Oxide Synthase 2

18126

Cryopreserved sperm

Nrg1

Neuregulin 1

211323

Cryopreserved sperm

Prkn

Parkin RBR E3 Ubiquitin Protein Ligase

50873

Cryopreserved sperm

Rac1

Rac Family Small GTPase 1

19353

Cryopreserved sperm

Sod1

Superoxide Dismutase 1

20655

Cryopreserved sperm

Sqstm1

Sequestosome 1

18412

Cryopreserved sperm

Tnf

Tumor Necrosis Factor

21926

Cryopreserved sperm

Tnfrsf1a

TNF Receptor Superfamily Member 1A

21937

Cryopreserved sperm

Tnfrsf1b

TNF Receptor Superfamily Member IB

21938

Cryopreserved sperm

Trp53

Tumor Protein P53

22059

Cryopreserved sperm

Tubb3

Tubulin Beta 3 Class III

22152

Cryopreserved sperm

Xbp1

X-Box Binding Protein 1

22433

Cryopreserved sperm

 

 

References:

1. Prasad A, Bharathi V, Sivalingam V, Girdhar A, Patel BK. Molecular Mechanisms of TDP-43 Misfolding and Pathology in Amyotrophic Lateral Sclerosis. Front Mol Neurosci. 2019 Feb 14;12:25. doi: 10.3389/fnmol.2019.00025. PMID: 30837838; PMCID: PMC6382748.

2. Kukreja L, Shahidehpour R, Kim G, Keegan J, Sadleir KR, Russell T, Csernansky J, Mesulam M, Vassar RJ, Wang L, Dong H, Geula C. Differential Neurotoxicity Related to Tetracycline Transactivator and TDP-43 Expression in Conditional TDP-43 Mouse Model of Frontotemporal Lobar Degeneration. J Neurosci. 2018 Jul 4;38(27):6045-6062. doi: 10.1523/JNEUROSCI.1836-17.2018. Epub 2018 May 28. PMID: 29807909; PMCID: PMC6031584.

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