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KR102578795B1 - Optogenetically Activatable Fas Receptor and Use Thereof - Google Patents

Optogenetically Activatable Fas Receptor and Use Thereof Download PDF

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KR102578795B1
KR102578795B1 KR1020210049640A KR20210049640A KR102578795B1 KR 102578795 B1 KR102578795 B1 KR 102578795B1 KR 1020210049640 A KR1020210049640 A KR 1020210049640A KR 20210049640 A KR20210049640 A KR 20210049640A KR 102578795 B1 KR102578795 B1 KR 102578795B1
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fas
protein
light
optofas
fusion protein
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허원도
김석휘
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기초과학연구원
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Abstract

본 발명은 광유전학적으로 활성화 가능한 Fas 수용체를 포함하는 융합단백질 및 이의 용도에 관한 것으로, 구체적으로는 광유도 이합체 형성 단백질을 결합시켜 광조사에 의해 광유전학적으로 활성화 가능한 Fas 수용체를 포함하는 융합단백질 및 이의 Fas 단백질의 활성 조절, 인지 또는 기억능 향상 및 뇌의 신경신생 (neurogenesis) 향상 용도에 관한 것이다.The present invention relates to a fusion protein containing an optogenetically activatable Fas receptor and its use. Specifically, the present invention relates to a fusion protein containing an optogenetically activatable Fas receptor by light irradiation by combining a photo-induced dimer forming protein. It relates to a protein and its use for regulating the activity of the Fas protein, improving cognitive or memory function, and improving neurogenesis in the brain.

Description

광유전학적으로 활성화 가능한 Fas 수용체 및 이의 용도 {Optogenetically Activatable Fas Receptor and Use Thereof} Optogenetically Activatable Fas Receptor and Use Thereof}

본 발명은 광유전학적으로 활성화 가능한 Fas 수용체를 포함하는 융합단백질 및 이의 용도에 관한 것으로, 구체적으로는 광유도 이합체 형성 단백질을 결합시켜 광조사에 의해 광유전학적으로 활성화 가능한 Fas 수용체를 포함하는 융합단백질 및 이의 Fas 단백질의 활성 조절, 인지 또는 기억능 향상 및 뇌의 신경신생 (neurogenesis) 향상 용도에 관한 것이다.The present invention relates to a fusion protein containing an optogenetically activatable Fas receptor and its use. Specifically, the present invention relates to a fusion protein containing an optogenetically activatable Fas receptor by light irradiation by combining a photo-induced dimer forming protein. It relates to a protein and its use for regulating the activity of the Fas protein, improving cognitive or memory function, and improving neurogenesis in the brain.

세포 신호 전달 네트워크는 다양한 외부 자극에 대하여 복잡한 반응을 나타낼 수 있다. 최근 광유전학의 발전으로 신호 경로의 구성 요소를 시-공간적으로 조작할 수 있게 되어, 신호 전달이 어떻게 동적으로 조절되고 있는지 확인할 수 있게 되었다. 신호 전달 경로의 각 구성은 자극의 다양한 모드로 다르게 반응하는 것으로 알려져 있다. 신호 전달 네트워크의 광유전학적 연구를 통해 신호 전달 경로의 시공간 조절 뿐 아니라, 세포 및 기관 수준의 결과 외에도 많은 질환에서 볼 수 있는 신호 전달 기능 장애를 입증할 수 있다 (L. J. Bugaj et al., Cancer mutations and targeted drugs can disrupt dynamic signal encoding by the Ras-Erk pathway. Science 361, eaao3048 (2018)).Cell signaling networks can exhibit complex responses to various external stimuli. Recent advances in optogenetics have made it possible to manipulate the components of the signaling pathway in a spatio-temporal manner, making it possible to determine how signal transduction is dynamically regulated. Each component of the signaling pathway is known to respond differently to different modes of stimulation. Optogenetic studies of signaling networks can demonstrate not only spatiotemporal regulation of signaling pathways, but also signaling dysfunction seen in many diseases, in addition to consequences at the cellular and organ levels (L. J. Bugaj et al., Cancer mutations and targeted drugs can disrupt dynamic signal encoding by the Ras-Erk pathway. Science 361, eaao3048 (2018)).

Fas 수용체 (Fas/CD95/APO-1) 신호는 다양한 하류 출력을 가진 복잡한 네트워크를 보인다. Fas 수용체는 TNF 수용체 슈퍼 패밀리에 속해 있으며, 각각은 외부 세포사멸 경로의 초기에 관여하는 사멸 수용체 역할을 나타낸다. Fas의 활성화는 세포사멸의 유도 뿐 아니라, 세포의 종류와 상황에 따라 JNK, NFκ, AKT-mTOR 등의 생존 촉진 신호를 유도할 수 있다. Fas에 의해 유도되는 생존 촉진 신호 전달은 다양한 병변 상태의 뇌에서 자주 확인되고, Fas의 과발현은 염증성 질환, 신경 변성 질환, 뇌 허혈 등의 다양한 신경 질환에서 확인된다. Fas receptor (Fas/CD95/APO-1) signaling exhibits a complex network with diverse downstream outputs. Fas receptors belong to the TNF receptor superfamily, each of which acts as a death receptor involved in the initiation of the extrinsic apoptotic pathway. Activation of Fas not only induces apoptosis but can also induce survival-promoting signals such as JNK, NFκ, and AKT-mTOR, depending on the type and situation of the cell. Pro-survival signaling induced by Fas is frequently confirmed in the brain in various lesion states, and overexpression of Fas is confirmed in various neurological diseases such as inflammatory diseases, neurodegenerative diseases, and cerebral ischemia.

그러나, 이러한 질병 상태에서 Fas 하류 구성 요소의 활성화 모드에 관해서는 논란이 있다. Fas 결손 또는 녹아웃 마우스를 사용하여 수행된 실험에서 인식 개선과 정신적 장애 모두가 관찰되었기 때문에, 해마의 Fas 활성화가 인지 기능과 기억에 관여하는 것은 오랫동안 논란이 있었다. However, there is controversy regarding the mode of activation of Fas downstream components in these disease states. The involvement of hippocampal Fas activation in cognitive function and memory has long been controversial, because both cognitive improvements and mental impairments have been observed in experiments performed using Fas deletion or knockout mice.

특히, 뇌질환에 걸린 경우 대뇌 해마의 신경재생에 Fas가 관련되어 있다는 사실이 알려져 왔으나, 연구방법의 한계로 세부적인 기전에 대해서는 아직 자세히 알려진 바가 없다. 또한, 질환이 있는 뇌에서 해마가 관장하는 공간 기억이 Fas에 의해 어떻게 영향 받는지에 대해서도 논란이 되어 왔다.In particular, it has been known that Fas is involved in nerve regeneration in the cerebral hippocampus in cases of brain disease, but the detailed mechanism is not yet known in detail due to limitations in research methods. Additionally, there has been controversy about how spatial memory governed by the hippocampus in the diseased brain is affected by Fas.

이러한 기술적 배경하에서, 본 출원의 발명자들은 광유전학적으로 활성화 가능한 Fas 수용체를 개발하고, 이를 통해 Fas 단백질의 활성 조절, 인지 또는 기억능 향상 및 뇌의 신경신생을 향상시킬 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.Under this technical background, the inventors of the present application developed an optogenetically activatable Fas receptor and confirmed that it can regulate the activity of Fas protein, improve cognitive or memory function, and enhance neurogenesis in the brain. The invention was completed.

본 발명의 목적은 광유전학적으로 활성화 가능한 Fas 수용체를 포함하는 융합단백질을 제공하는데 있다. The purpose of the present invention is to provide a fusion protein containing an optogenetically activatable Fas receptor.

본 발명의 목적은 상기 광유전학적으로 활성화 가능한 Fas 수용체를 포함하는 융합단백질을 코딩하는 폴리뉴클레오티드를 제공하는데 있다.The purpose of the present invention is to provide a polynucleotide encoding a fusion protein containing the optogenetically activatable Fas receptor.

본 발명의 목적은 상기 광유전학적으로 활성화 가능한 Fas 수용체를 포함하는 융합단백질 또는 이를 코딩하는 폴리뉴클레오티드를 포함하는 Fas 단백질의 활성을 조절하기 위한 조성물, 인지 또는 기억능을 향상시키기 위한 조성물 또는 뇌의 신경신생을 향상시키기 위한 조성물을 제공하는데 있다.The object of the present invention is to provide a composition for regulating the activity of Fas protein, a composition for improving cognitive or memory function, or a brain fusion protein containing the optogenetically activatable Fas receptor or a polynucleotide encoding the same. The object is to provide a composition for improving neurogenesis.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 막 고정 서열 (membrane-anchoring sequence: lyn); Fas 수용체 (Fas cell surface death receptor) 또는 이의 세포질 도메인; 및 광유도 이합체 형성 단백질을 포함하는, 광조사에 의해 광유전학적으로 활성화 가능한 융합단백질을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention includes a membrane-anchoring sequence (lyn); Fas receptor (Fas cell surface death receptor) or its cytoplasmic domain; and a fusion protein that is optogenetically activatable by light irradiation, including a light-induced dimer forming protein.

본 발명은 또한, 상기 융합단백질을 코딩하는 폴리뉴클레오티드를 제공한다. The present invention also provides a polynucleotide encoding the fusion protein.

본 발명은 또한, 상기 융합단백질 또는 이를 코딩하는 폴리뉴클레오티드를 포함하고, 상기 광유도 이합체 형성 단백질의 올리고머화를 유도할 수 있는 광을 조사하여, Fas 단백질의 활성을 조절하기 위한 조성물을 제공한다. The present invention also provides a composition for controlling the activity of Fas protein, which includes the fusion protein or a polynucleotide encoding the same, and irradiates light that can induce oligomerization of the light-induced dimer formation protein.

본 발명은 또한, 상기 융합단백질 또는 이를 코딩하는 폴리뉴클레오티드를 포함하고, 상기 광유도 이합체 형성 단백질의 올리고머화를 유도할 수 있는 광을 반복적으로 조사하여 상기 광유전학적으로 활성화 가능한 융합단백질의 반복적 활성화에 의해, 인지 또는 기억능을 향상시키기 위한 조성물을 제공한다.The present invention also provides repetitive activation of the optogenetically activatable fusion protein, which includes the fusion protein or a polynucleotide encoding the same, and repeatedly irradiates light that can induce oligomerization of the light-induced dimer formation protein. Provides a composition for improving cognition or memory.

본 발명은 또한, 상기 융합단백질 또는 이를 코딩하는 폴리뉴클레오티드를 포함하고, 상기 광유도 이합체 형성 단백질의 올리고머화를 유도할 수 있는 광을 반복적으로 조사하여 상기 광유전학적으로 활성화 가능한 융합단백질의 반복적 활성화에 의해, 뇌의 신경신생 (neurogenesis)을 향상시키기 위한 조성물을 제공한다. The present invention also provides repetitive activation of the optogenetically activatable fusion protein, which includes the fusion protein or a polynucleotide encoding the same, and repeatedly irradiates light that can induce oligomerization of the light-induced dimer formation protein. Provides a composition for improving neurogenesis in the brain.

도 1은 광유전학적으로 활성화할 수 있는 Fas 수용체의 개발 및 검증 결과를 나타낸 것이다.
도 2는 Fas의 광유전학적 활성화에 의해 치아 이랑에서 동적 신호 전달 네트워크를 보임을 입증한 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 미성숙 뉴런에서 Fas의 광유전학적 자극은 BDNF 분비를 유도하여, 파라크린 (paracrine) 매개자 역할을 할 수 있음을 입증한 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 Fas의 반복적인 활성화는 성체의 해마 신경신생을 유도할 수 있음을 보여주는 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 Fas 신호 전달 네트워크의 반복적인 활성화는 임시적 기억능 증가를 유도할 수 있음을 보여주는 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 장기간 반복적인 활성화 상태에 따른 성체 해마 치아 이랑 (DG: dentate gyrus)에서 Fas 신호 전달 분자 및 세포 역학 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 다양한 종류의 세포에서 optoFAS에 의한 민감하고 특이적인 세포사멸을 나타낼 수 있음을 보여주는 결과를 나타낸 것이다.
도 8은 치아 이랑에서 네스틴 프로모터 (nestin promoter)의 시간 의존성 발현 결과를 나타낸 것이다.
도 9는 OptoFAS가 mTORC1의 활성화를 특이적으로 유도할 수 있음을 보여주는 결과를 나타낸 것이다.
도 10은 다른 모드의 자극은 Fas 신호 전달 네트워크에 다른 반응을 유도할 수 있음을 보여주는 결과를 나타낸 것이다.
도 11a 내지 도 11c는 인간의 질병 샘플 및 동물 모델에서 Fas, AKT-mTOR 및 ERK 경로가 활성화됨을 보여주는 결과를 나타낸 것이다.
도 12는 In vitro에서 분화 뉴런에 대한 면역세포화학적 마커 발현 결과를 나타낸 것이다.
도 13은 Fas의 활성화에 의해 영향을 받는 것으로 알려져 있는 유전자의 qRT-PCR 결과를 나타낸 것이다.
도 14는 저해제 처리에 의한 치아 이랑의 Fas 신호 전달 네트워크의 차단 결과를 나타낸 것이다.
도 15는 미성숙 뉴런과 신경 줄기세포 사이의 mTOR-BDNF-ERK 축 in vitro 확인 결과를 나타낸 것이다.
도 16은 오픈 필드 테스트에 의한 이동 운동 기능과 불안 지수 분석 결과를 나타낸 것이다.
Figure 1 shows the results of development and verification of an optogenetically activable Fas receptor.
Figure 2 shows the results demonstrating a dynamic signaling network in the dentate gyrus by optogenetic activation of Fas.
Figure 3 shows the results demonstrating that optogenetic stimulation of Fas in immature neurons induces BDNF secretion and can act as a paracrine mediator.
Figure 4 shows results showing that repetitive activation of Fas can induce hippocampal neurogenesis in adults.
Figure 5 shows results showing that repetitive activation of the Fas signaling network can induce an increase in temporary memory ability.
Figure 6 shows the results of Fas signaling molecules and cellular dynamics in the adult hippocampal dentate gyrus (DG) according to long-term repetitive activation state.
Figure 7 shows results showing that optoFAS can cause sensitive and specific cell death in various types of cells.
Figure 8 shows the time-dependent expression results of the nestin promoter in the dentate gyrus.
Figure 9 shows results showing that OptoFAS can specifically induce the activation of mTORC1.
Figure 10 shows results showing that different modes of stimulation can induce different responses in the Fas signaling network.
Figures 11A to 11C show results showing that Fas, AKT-mTOR, and ERK pathways are activated in human disease samples and animal models.
Figure 12 shows the results of immunocytochemical marker expression for differentiated neurons in vitro .
Figure 13 shows qRT-PCR results of genes known to be affected by Fas activation.
Figure 14 shows the results of blocking the Fas signaling network in the dentate gyrus by inhibitor treatment.
Figure 15 shows the results of in vitro confirmation of the mTOR-BDNF-ERK axis between immature neurons and neural stem cells.
Figure 16 shows the results of analysis of locomotor function and anxiety index by open field test.

다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.Unless otherwise defined, all technical and scientific terms used in this specification have the same meaning as commonly understood by a person skilled in the art to which the present invention pertains. In general, the nomenclature used herein is well known and commonly used in the art.

Fas (CD95)의 활성화는 다양한 신경 질환에서 관찰되고, 세포사멸과 생존촉진결과 (pro-survival outputs) 모두를 유도할 수 있지만, 그럼에도 불구하고 Fas 신호가 해마에서 동적으로 어떻게 작동하는지는 잘 알려져 있지 않았다. Activation of Fas (CD95) is observed in a variety of neurological diseases and can induce both apoptosis and pro-survival outputs, but nevertheless it is not well known how Fas signaling operates dynamically in the hippocampus. didn't

본 출원의 발명자들은 막 고정 서열 (lyn), Fas의 세포질 도메인 (cyFAS), 크립토크롬 2의 PHR 도메인 (CRY2PHR) 및 EGFP을 포함하는 광유전학적으로 활성화 가능한 Fas 모듈 (optoFAS)을 개발하였다. 신호 전달 네트워크의 광유전학적 해부를 통해 많은 질환에서 볼 수 있는 신호 전달 기능 장애를 포함하여, 세포 응답 또는 세포 운명에 대한 분자 수준의 설명이 가능하다. 이를 통해 약물을 처리하거나 유전자를 변형한 동물모델을 사용하였을 때 발생할 수 있는 부작용이 없고, 생리현상에 지장을 주지 않으면서 광 자극만으로 Fas 단백질의 활성을 조절할 수 있다. The inventors of the present application developed an optogenetically activatable Fas module (optoFAS) comprising a membrane anchoring sequence (lyn), the cytoplasmic domain of Fas (cyFAS), the PHR domain of cryptochrome 2 (CRY2PHR) and EGFP. Optogenetic dissection of signaling networks allows molecular-level elucidation of cellular responses or cell fates, including signaling dysfunctions seen in many diseases. Through this, there are no side effects that may occur when treating drugs or using genetically modified animal models, and the activity of Fas protein can be controlled only by light stimulation without interfering with physiological phenomena.

광유전학적으로 활성화 가능한 Fas 모듈 (optoFAS)을 통해, 대뇌에 광 자극을 제공하여 시공간적으로 Fas 단백질의 활성을 조절함으로써, 대뇌 해마에서 여러 신호전달 경로들이 순차적으로 활성화됨을 확인하였다. 구체적으로, 치아 이랑(dentate gyrus)의 미성숙 신경세포에서 Fas의 활성화에 의해 mTOR의 활성화 및 후속 BDNF (brain-derived neurotrophic factor)의 분비를 유도하였다. 장기 Fas 활성화 상태에서 신경 줄기세포 중 Erk의 인산화가 유도되었다. Through the optogenetically activatable Fas module (optoFAS), it was confirmed that several signaling pathways are activated sequentially in the cerebral hippocampus by providing light stimulation to the cerebrum and controlling the activity of Fas protein in a spatiotemporal manner. Specifically, activation of Fas in immature neurons of the dentate gyrus induced activation of mTOR and subsequent secretion of brain-derived neurotrophic factor (BDNF). Under long-term Fas activation, phosphorylation of Erk was induced in neural stem cells.

신호 전달 네트워크의 반복적 활성화에 의해 신경 줄기세포의 증식 및 마우스 공간 작업 기억의 일시적인 증가를 가져왔다. 이러한 연구 결과를 통해 치아 이랑 중 Fas 신호 전달 네트워크를 입증하고, 성체 신경발생과 기억 증진에 대한 결과를 확인하였다. Repetitive activation of the signaling network resulted in proliferation of neural stem cells and a transient increase in spatial working memory in mice. These research results demonstrated the Fas signaling network in the dentate gyrus and confirmed the results of adult neurogenesis and memory enhancement.

이를 바탕으로, 본 발명은 일 관점에서 막 고정 서열 (membrane-anchoring sequence: lyn); Fas 수용체 (Fas cell surface death receptor) 또는 이의 세포질 도메인; 및 광유도 이합체 형성 단백질을 포함하는, 광조사에 의해 광유전학적으로 활성화 가능한 융합단백질에 관한 것이다.Based on this, the present invention, in one aspect, includes a membrane-anchoring sequence (lyn); Fas receptor (Fas cell surface death receptor) or its cytoplasmic domain; and a fusion protein that is optogenetically activatable by light irradiation, including a light-induced dimer forming protein.

본 발명은 또한, 다른 관점에서 융합단백질을 코딩하는 폴리뉴클레오티드에 관한 것이다.The present invention also relates to a polynucleotide encoding a fusion protein from another aspect.

본 발명은 또한, 다른 관점에서 융합단백질 또는 이를 코딩하는 폴리뉴클레오티드를 포함하고, 광 조사에 의해 Fas 단백질의 활성을 조절하기 위한 조성물에 관한 것이다. The present invention also, from another aspect, relates to a composition comprising a fusion protein or a polynucleotide encoding the same and for controlling the activity of Fas protein by light irradiation.

본 발명은 또한, 다른 관점에서 상기 융합단백질 또는 이를 코딩하는 폴리뉴클레오티드를 포함하고, 광의 반복적 조사에 의한 상기 광유전학적으로 활성화 가능한 융합단백질의 반복적 활성화를 통해, 인지 또는 기억능을 향상시키기 위한 조성물에 관한 것이다. The present invention also provides, from another perspective, a composition comprising the fusion protein or a polynucleotide encoding the same and improving cognition or memory through repeated activation of the optogenetically activatable fusion protein by repeated irradiation of light. It's about.

본 발명은 또한, 다른 관점에서 상기 융합단백질 또는 이를 코딩하는 폴리뉴클레오티드를 포함하고, 광의 반복적 조사에 의한 상기 광유전학적으로 활성화 가능한 융합단백질의 반복적 활성화를 통해, 뇌의 신경신생 (neurogenesis)을 향상시키기 위한 조성물에 관한 것이다. In another aspect, the present invention includes the fusion protein or a polynucleotide encoding the same, and improves neurogenesis in the brain through repeated activation of the optogenetically activatable fusion protein by repeated irradiation of light. It relates to a composition for doing so.

하나의 실시예에서, 상기 막 고정 서열은 Fas 수용체 N 말단에 특이적인 지질인 미리스토일화 (myristoylation)를 위해 포함되는 서열로, 예를 들어 서열번호 1의 아미노산 서열 (MGCIKSKGKDSAGADSAGSAGS)을 포함할 수 있다. In one embodiment, the membrane anchoring sequence is a sequence included for myristoylation, a lipid specific to the N terminus of the Fas receptor, and may include, for example, the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1 (MGCIKSKGKDSAGADSAGSAGS) .

하나의 실시예에서, 상기 Fas 수용체 또는 이의 세포질 도메인과 관련하여, 상기 Fas 수용체는 예를 들어 서열번호 2의 아미노산 서열을 포함할 수 있고, 상기 Fas 수용체의 세포질 도메인은 예를 들어 서열번호 3의 아미노산 서열을 포함할 수 있다. In one embodiment, with respect to the Fas receptor or the cytoplasmic domain thereof, the Fas receptor may include, for example, the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2, and the cytoplasmic domain of the Fas receptor may include, for example, the amino acid sequence of SEQ ID NO: 3. It may contain an amino acid sequence.

상기 광유도 이합체 형성 단백질은 광 자극을 가할 경우 동형이합체를 형성하거나, 짝 단백질과 이형이합체(heterodimer)를 형성하는 단백질을 의미할 수 있다. "이형이합체(heterodimer)"는 서로 다른 두 가지 단백질이 상호작용에 의해 하나의 복합체(complex)를 형성한 것을 의미할 수 있다. "동형이합체(homodimer)"는 같은 단백질이 서로 두 개가 상호작용하여 하나의 복합체(complex)를 형성한 것을 의미할 수 있다. The light-induced dimer forming protein may refer to a protein that forms a homodimer or a heterodimer with a partner protein when light is stimulated. “Heterodimer” may mean that two different proteins interact to form a complex. “Homodimer” may mean that two identical proteins interact with each other to form a complex.

상기 광유도 이합체 형성 단백질은 예를 들어, CIB(cryptochrome-interacting basic-helix-loop-helix protein), CIBN(N-terminal domain of CIB), Phy(phytochrome), PIF(phytochrome interacting factor), FKF1(Flavin-binding, Kelch repeat, F-box 1), GIGANTEA, CRY(chryptochrome) 또는 PHR(phytolyase homolgous region)일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 광유도 이합체 형성 단백질은 구체적으로, 크립토크롬 단백질인 CRY(chryptochrome) 2의 N-말단 부위로서 포토라이아제 상동성 지역(photolyase homology region)인 PHR 도메인 (CRY2PHR)일 수 있다. The light-induced dimer forming proteins include, for example, CIB (cryptochrome-interacting basic-helix-loop-helix protein), CIBN (N-terminal domain of CIB), Phy (phytochrome), PIF (phytochrome interacting factor), FKF1 ( It may be Flavin-binding, Kelch repeat, F-box 1), GIGANTEA, CRY (chryptochrome), or PHR (phytolyase homolgous region), but is not limited thereto. The light-induced dimer forming protein may specifically be the PHR domain (CRY2PHR), which is the N-terminal region of CRY (chryptochrome) 2, a cryptochrome protein, and is a photolyase homology region.

상기 광유도 이합체 형성 단백질은 예를 들어 서열번호 4의 아미노산 서열을 포함할 수 있다.For example, the light-induced dimer forming protein may include the amino acid sequence of SEQ ID NO: 4.

경우에 따라서, 형광 단백질을 추가로 포함할 수 있다. 상기 형광 단백질은 예를 들어, 녹색형광단백질(green fluorescent protein, GFP), 향상 녹색형광단백질 (Enhanced Green Fluorescent Protein, EGFP), 황색형광단백질(yellow fluorescent protein, YFP), 적색형광단백질(red fluorescent protein, RFP), 주황형광단백질(orange fluorescent protein, OFP), 청록색형광단백질(cyan fluorescent protein, CFP), 청색형광단백질(blue fluorescent protein, BFP), 원적색형광단백질(far-red fluorescent protein) 또는 테트라시스테인 모티프(tetracystein motif)일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In some cases, it may additionally contain a fluorescent protein. The fluorescent protein is, for example, green fluorescent protein (GFP), enhanced green fluorescent protein (EGFP), yellow fluorescent protein (YFP), and red fluorescent protein (red fluorescent protein). , RFP), orange fluorescent protein (OFP), cyan fluorescent protein (CFP), blue fluorescent protein (BFP), far-red fluorescent protein (far-red fluorescent protein) or tetra It may be a cysteine motif (tetracystein motif), but is not limited thereto.

본 발명은 융합단백질을 코딩하는 폴리뉴클레오티드로, "뉴클레오티드", "뉴클레오티드 서열", "핵산" 및 "올리고뉴클레오티드"와 상호교환적으로 사용된다. 임의의 길이의 뉴클레오티드의 폴리머 형태, 데옥시리보뉴클레오티드 또는 리보뉴클레오티드, 또는 이들의 유사체를 포함할 수 있다. 폴리뉴클레오티드는 임의의 3차원 구조를 가질 수 있으며, 공지된 또는 비공지된 임의의 기능을 수행할 수 있다. 상기 폴리뉴클레오티드는 DNA(gDNA 및 cDNA) 및 RNA 분자를 포괄적으로 포함하는 의미를 가지며, 기본 구성단위인 뉴클레오타이드는 자연의 뉴클레오타이드 뿐만 아니라, 당 또는 염기 부위가 변형된 유사체(analogue)도 포함한다. 상기 폴리뉴클레오티드의 서열은 변형될 수 있다. 상기 변형은 뉴클레오타이드의 추가, 결실, 또는 비보존적 치환 또는 보존적 치환을 포함한다.The present invention refers to a polynucleotide encoding a fusion protein, which is used interchangeably with “nucleotide”, “nucleotide sequence”, “nucleic acid”, and “oligonucleotide”. It may include polymeric forms of nucleotides of any length, deoxyribonucleotides or ribonucleotides, or analogs thereof. Polynucleotides can have any three-dimensional structure and can perform any function, known or unknown. The polynucleotide is meant to comprehensively include DNA (gDNA and cDNA) and RNA molecules, and nucleotides, which are basic structural units, include not only natural nucleotides but also analogues with modified sugar or base sites. The sequence of the polynucleotide may be modified. The modifications include additions, deletions, or non-conservative or conservative substitutions of nucleotides.

본 발명은 상기 폴리뉴클레오티드를 포함하는 벡터에 관한 것이다. 벡터 성분에는 일반적으로, 다음 중의 하나 이상이 포함되지만, 그에 제한되지 않는다: 신호 서열, 복제 기점, 하나 이상의 마커 유전자, 증강인자 요소, 프로모터, 및 전사 종결 서열.The present invention relates to a vector containing the above polynucleotide. Vector components generally include, but are not limited to, one or more of the following: a signal sequence, an origin of replication, one or more marker genes, an enhancer element, a promoter, and a transcription termination sequence.

본 명세서에서 사용되는 용어, "벡터"는 숙주세포에서 목적 유전자를 발현시키기 위한 수단으로 플라스미드 벡터; 코즈미드 벡터; 박테리오파지 벡터, 아데노바이러스 벡터, 레트로바이러스 벡터 및 아데노-연관 바이러스벡터 같은 바이러스 벡터 등을 포함한다. 상기 벡터에서 폴리뉴클레오티드는 프로모터와 작동적으로 연결되어 있다. As used herein, the term “vector” refers to a means for expressing a gene of interest in a host cell, including a plasmid vector; cosmid vector; Includes viral vectors such as bacteriophage vectors, adenovirus vectors, retroviral vectors, and adeno-associated viral vectors. In the vector, the polynucleotide is operably linked to a promoter.

"작동적으로 연결"은 발현조절서열(예: 프로모터, 시그널 서열, 또는 전사조절인자 결합 위치의 어레이)과 다른 폴리뉴클레오티드 사이의 기능적인 결합을 의미하며, 이에 의해 상기 조절서열은 상기 다른 폴리뉴클레오티드 서열의 전사 및/또는 해독을 조절하게 된다.“Operably linked” means a functional linkage between an expression control sequence (e.g., a promoter, signal sequence, or array of transcriptional regulator binding sites) and another polynucleotide, whereby the control sequence is linked to the other polynucleotide. It regulates the transcription and/or translation of the sequence.

원핵세포를 숙주로 하는 경우에는, 전사를 진행시킬 수 있는 강력한 프로모터(예컨대, tac 프로모터, lac 프로모터, lacUV5 프로모터, lpp 프로모터, pLλ 프로모터, pRλ프로모터, rac5 프로모터, amp 프로모터, recA 프로모터, SP6 프로모터, trp 프로모터 및 T7 프로모터 등), 해독의 개시를 위한 라이보좀 결합 자리 및 전사/해독 종결 서열을 포함하는 것이 일반적이다. 또한, 예를 들어, 진핵 세포를 숙주로 하는 경우에는, 포유동물 세포의 지놈으로부터 유래된 프로모터(예: 메탈로티오닌 프로모터, β-액틴 프로모터, 사람 헤로글로빈 프로모터 및 사람 근육 크레아틴 프로모터) 또는 포유동물 바이러스로부터 유래된 프로모터(예: 아데노바이러스 후기 프로모터, 백시니아 바이러스 7.5K 프로모터, SV40프로모터, 사이토메갈로바이러스(CMV) 프로모터, HSV의 tk 프로모터, 마우스 유방종양 바이러스(MMTV) 프로모터, HIV의 LTR 프로모터, 몰로니 바이러스의 프로모터엡스타인바 바이러스(EBV)의 프로모터 및 로우스 사코마 바이러스(RSV)의 프로모터)가 이용될 수 있으며, 전사 종결 서열로서 폴리아데닐화 서열을 일반적으로 갖는다.When a prokaryotic cell is used as a host, a strong promoter capable of advancing transcription (e.g., tac promoter, lac promoter, lacUV5 promoter, lpp promoter, pLλ promoter, pRλ promoter, rac5 promoter, amp promoter, recA promoter, SP6 promoter, trp promoter and T7 promoter, etc.), a ribosome binding site for initiation of translation, and a transcription/translation termination sequence. Additionally, for example, in the case of eukaryotic cells as hosts, promoters derived from the genome of mammalian cells (e.g., metallothionein promoter, β-actin promoter, human heroglobin promoter, and human muscle creatine promoter) or mammalian cell genomes Promoters derived from animal viruses (e.g., adenovirus late promoter, vaccinia virus 7.5K promoter, SV40 promoter, cytomegalovirus (CMV) promoter, tk promoter of HSV, mouse mammary tumor virus (MMTV) promoter, LTR promoter of HIV , the promoter of Moloney virus, the promoter of Epstein-Barr virus (EBV), and the promoter of Roux Sarcoma virus (RSV) can be used, and generally have a polyadenylation sequence as a transcription termination sequence.

상기 벡터는 선택표지로서 당업계에서 통상적으로 이용되는 항생제 내성 유전자를 포함하며, 예를 들어 암피실린, 겐타마이신, 카베니실린, 클로람페니콜, 스트렙토마이신, 카나마이신, 게네티신, 네오마이신 및 테트라사이클린에 대한 내성 유전자가 있다.The vector contains an antibiotic resistance gene commonly used in the art as a selection marker, for example, for ampicillin, gentamicin, carbenicillin, chloramphenicol, streptomycin, kanamycin, geneticin, neomycin, and tetracycline. There is a resistance gene.

본 발명은 상기 언급된 벡터로 형질전환된 세포에 관한 것이다. 세포는 원핵생물, 효모 또는 고등 진핵생물 세포일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. The present invention relates to cells transformed with the above-mentioned vectors. The cells may be, but are not limited to, prokaryotic, yeast, or higher eukaryotic cells.

에스케리치아 콜라이(Escherichia coli), 바실러스 서브틸리스 및 바실러스 츄린겐시스와 같은 바실러스 속 균주, 스트렙토마이세스(Streptomyces), 슈도모나스(Pseudomonas)(예를 들면, 슈도모나스 푸티다(Pseudomonas putida)), 프로테우스미라빌리스(Proteus mirabilis) 및 스타필로코쿠스(Staphylococcus)(예를 들면, 스타필로코쿠스 카르노수스(Staphylocus carnosus))와 같은 원핵 숙주세포를 이용할 수 있다.Bacillus genus strains such as Escherichia coli, Bacillus subtilis and Bacillus thuringensis, Streptomyces, Pseudomonas (e.g. Pseudomonas putida), Proteus Prokaryotic host cells such as Proteus mirabilis and Staphylococcus (e.g., Staphylocus carnosus) can be used.

다만, 동물 세포에 대한 관심이 가장 크며, 유용한 숙주 세포주의 예는 COS-7, BHK, CHO, CHOK1, DXB-11, DG-44, CHO/-DHFR, CV1, COS-7, HEK293, BHK, TM4, VERO, HELA, MDCK, BRL 3A, W138, Hep G2, SK-Hep, MMT, TRI, MRC 5, FS4, 3T3, RIN, A549, PC12, K562, PER.C6, SP2/0, NS-0, U20S, 또는 HT1080일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.However, animal cells are of greatest interest, and examples of useful host cell lines include COS-7, BHK, CHO, CHOK1, DXB-11, DG-44, CHO/-DHFR, CV1, COS-7, HEK293, BHK, TM4, VERO, HELA, MDCK, BRL 3A, W138, Hep G2, SK-Hep, MMT, TRI, MRC 5, FS4, 3T3, RIN, A549, PC12, K562, PER.C6, SP2/0, NS-0 , U20S, or HT1080, but is not limited thereto.

상기 세포는 각종 배지에서 배양할 수 있다. 시판용 배지 중 제한없이 배양 배지로서 사용할 수 있다. 당업자에게 공지되어 있는 기타 모든 필수 보충물이 적당한 농도로 포함될 수도 있다. 배양 조건, 예를 들어 온도, pH 등이 발현을 위해 선별된 숙주 세포와 함께 이미 사용되고 있고, 이는 당업자에게 명백할 것이다.The cells can be cultured in various media. Any commercially available medium can be used as a culture medium without limitation. All other necessary supplements known to those skilled in the art may also be included in suitable concentrations. Culture conditions, such as temperature, pH, etc., are already used with host cells selected for expression and will be clear to those skilled in the art.

상기 융합단백질은 예를 들어 원심분리 또는 한외여과에 의해 불순물을 제거하고, 그 결과물을 예를 들어 친화 크로마토그래피 등을 이용하여 정제할 수 있다. 추가의 기타 정제 기술 예를 들어 음이온 또는 양이온 교환 크로마토그래피, 소수성 상호 작용 크로마토그래피, 히드록실아파타이트 크로마토그래피 등이 사용될 수 있다.The fusion protein may have impurities removed by, for example, centrifugation or ultrafiltration, and the resulting product may be purified using, for example, affinity chromatography. Additional other purification techniques may be used, such as anion or cation exchange chromatography, hydrophobic interaction chromatography, hydroxylapatite chromatography, etc.

본 발명의 조성물은 융합단백질 또는 이를 코딩하는 폴리뉴클레오티드를 포함하고, 조성물의 투여를 위하여 추가로 약학적으로 허용가능한 담체를 포함할 수 있다.The composition of the present invention includes a fusion protein or a polynucleotide encoding the same, and may additionally include a pharmaceutically acceptable carrier for administration of the composition.

상기 융합단백질을 코딩하는 폴리뉴클레오티드는 바이러스 전달수단 또는 비바이러스 전달수단을 통해 전달될 수 있다. 바이러스 전달수단은 바이러스 벡터를 포함할 수 있다. 바이러스 벡터는 예를 들어, Adeno-Associated Viral Vector (AAV), Adenoviral Vector (AdV), Lentiviral Vector (LV) 또는 Retroviral Vector (RV)를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The polynucleotide encoding the fusion protein can be delivered through viral delivery means or non-viral delivery means. The viral delivery vehicle may include a viral vector. Viral vectors may include, but are not limited to, for example, Adeno-Associated Viral Vector (AAV), Adenoviral Vector (AdV), Lentiviral Vector (LV), or Retroviral Vector (RV).

비바이러스 전달수단은 예를 들어, 바이러스 레플리콘을 포함하는 에피좀 벡터를 포함할 수 있다. 비바이러스 전달수단은 mRNA 형태의 전달, RNP (Ribonucleoprotein) 또는 캐리어에 의한 전달을 포함할 수 있다. mRNA 형태의 전달로 synthetic modified mRNA 또는 self-replicating RNA (srRNA)를 포함할 수 있다. 캐리어로, 나노입자, 세포투과 펩타이드 (CPP) 또는 중합체를 포함할 수 있다.Non-viral delivery vehicles may include, for example, episomal vectors containing viral replicons. Non-viral delivery means may include delivery in the form of mRNA, RNP (Ribonucleoprotein), or delivery by carrier. Delivery in the form of mRNA may include synthetic modified mRNA or self-replicating RNA (srRNA). As a carrier, it may include nanoparticles, cell penetrating peptides (CPP) or polymers.

본 발명에서 사용 가능한 전달 수단은 예를 들어, 벡터를 포함할 수 있다. "벡터"는 핵산 분자로서 연결된 또 다른 핵산을 수송할 수 있는 핵산 분자를 지칭한다. 예를 들어, 단일-가닥, 이중-가닥 또는 부분적 이중-가닥인 핵산 분자; 하나 이상의 자유 말단, 비 자유 말단(예를 들어, 환형)을 포함하는 핵산 분자; DNA, RNA 또는 이 둘 모두를 포함하는 핵산 분자; 및 당업계에 공지된 다른 다양한 폴리뉴클레오티드를 포함한다. Delivery means usable in the present invention may include, for example, vectors. “Vector” refers to a nucleic acid molecule capable of transporting another nucleic acid to which it has been linked. For example, nucleic acid molecules that are single-stranded, double-stranded or partially double-stranded; A nucleic acid molecule comprising one or more free, non-free (e.g., circular) ends; Nucleic acid molecules, including DNA, RNA, or both; and various other polynucleotides known in the art.

예를 들어, 상기 벡터는 "플라스미드"이며, 환형의 이중 가닥 DNA 루프를 지칭하는 것으로서, 여기에 예컨대, 표준 분자 클로닝 기법에 의해 추가적인 DNA 세그먼트가 삽입될 수 있다. For example, the vector is a “plasmid”, which refers to a circular double-stranded DNA loop into which additional DNA segments can be inserted, such as by standard molecular cloning techniques.

상기 벡터는 각각 전기천공법 (electroporation), 리포펙션, 바이러스 벡터, 나노파티클 (nanoparticles) 뿐만 아니라, PTD (Protein translocation domain) 융합 단백질 방법 등을 통해 생체 내 또는 세포 내로 전달될 수 있다.The vectors can be delivered in vivo or into cells through electroporation, lipofection, viral vectors, nanoparticles, as well as PTD (Protein translocation domain) fusion protein methods, respectively.

본 발명의 조성물, 방법 및 용도는 이를 필요로 하는 대상체에 충분량 또는 유효량으로 투여될 수 있다. '유효량' 또는 '충분량'은 단일 또는 다중 용량으로 단독으로 또는 하나 이상의 다른 치료용 조성물, 프로토콜, 또는 치료 요법과 조합되어 임의의 기간 동안 대상체에 이로움을 주거나 대상체에 예상되거나 요망되는 결과를 제공하는 양을 나타낸다. 제제화 방법, 투여 방식, 환자의 연령, 체중, 성, 병적 상태, 투여 시간, 투여 경로, 배출 속도, 및 반응 감응성과 같은 요인들에 의해 다양하게 처방될 수 있다.The compositions, methods and uses of the present invention can be administered in sufficient or effective amounts to a subject in need thereof. An ‘effective amount’ or ‘sufficient amount’ is an amount that, in single or multiple doses, alone or in combination with one or more other therapeutic compositions, protocols, or treatment regimens, benefits the subject for any period of time or provides an expected or desired result in the subject. Indicates quantity. It can be prescribed in various ways depending on factors such as formulation method, administration method, patient's age, weight, sex, pathological condition, administration time, administration route, excretion rate, and response sensitivity.

실시예Example

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. These examples are only for illustrating the present invention, and it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not to be construed as limited by these examples.

1. 제조예 및 실험방법1. Manufacturing example and experimental method

(1) 플라스미드 구축(1) Plasmid construction

optoFas를 구축하기 위해 Lyn (myristoylation sequence)과 크립토크롬 2의 PHR 도메인을 중합 효소 연쇄 반응 (PCR)에 의해 증폭하고 NheI/XhoI 및 BamHI/AgeI 절단을 사용하여 pEGFP-N1 (Clontech)에 삽입했다. Fas의 세포질 도메인을 HeLa 세포 cDNA로부터 PCR 증폭하고 XhoI / EcoRI 절단을 사용하여 Lyn-PHR-EGFP 구조에 삽입했다. 다음의 프라이머를 사용했다 : F : 5'-GTAGCTAGCCACC ATGGGATGTATAAAATCAAAAGG-'3, R : 5'-GTACTCGAGCGCACTACCAGCACTACCAG-'3 Lyn; F : 5'-GTAGGATCCCATGAAGATGGACAAAAAGACCA-'3, R : 5'-GTAACCGGTGCGTACACGGCAGCACCGATC-'3 PHR; F : 5'-GTACTCGAGAAGAGAAAGGAAGTACAGAAAACATGCAGA-'3, R : 5'-GTAGAATTCTGACCAAGCTTTGGATTTCATTT-'3 Fas. AAV-MAG-optoFAS Gibson Assembly Cloning (New England Biolabs)에 의해 구축되었고, pAAV-MAG-EGFP 벡터 (University of New South Wales M. Klugmann 제공)에서 EGFP를 PCR 증폭 optoFas로 대체하는데 사용되었다. AAV-Nestin-Cre는 pNestin-EGFP (Addgene # 38777)의 Nestin 프로모터와 pCAG-iCre (Addgene # 89573)의 Cre의 PCR 증폭에 의해 생성되었다. 생성물을 각각 MluI / XbaI 및 EcoRI / AgeI 절단시키고, pAAV-CaMKIIa-EGFP 벡터 (Addgene # 50469)에 삽입했다. 다음의 프라이머를 사용했다 : F : 5'-GTAACGCGTGGAGCAGGAGAAACAGGGCC-'3, R : 5'-GTATCTAGAAAGTCTTGGAGCCACCGC-'3 (Nestin). F : 5'-ATGCAGAATTCTTAGTCCCCATCCTCGAGCAG-'3, R : 5'-ATGCAACCGGTGCCACCATGCCCAAGAAGAAG-'3 Cre. AAV-hSyn-DIO-optoFAS는 pAAV-hSyn-DIO-EGFP 벡터 (Addgene # 50457) 중 PCR 증폭 및 NheI / AscI 소화를 사용하여 EGFP를 optoFas로 대체하여 구축되었다. 다음의 프라이머를 사용했다 : F : 5'-GTAGCTAGCCACCATGGGATGTATAAAATCAAAAGG-'3, R : 5'-GTAGGCGCGCCCGGCCGCTTTACTTGTACAGC-'3. AAV-CAG-optoFas 및 AAV-CAG-EGFP는 Gibson Assembly Cloning 의해 구축되었고, AAV-CAG-FLEX-EGFP 벡터 (Addgene # 28304)의 XbaI / EcoRV 서열을 optoFas로 대체 또는 pEGFP-N1 벡터의 EGFP로 대체하는데 사용되었다. 다음의 프라이머를 사용했다 : F : 5'-GTGTGACCGGCGGCTCTAGAGCTAGCCACCATGGGATGTATAAAATCAA-'3, R : 5'-AGGTTGATTCCGGAGATATCGCGGCCGCTTTACTT-'3 (optoFAS). F : 5'-GTGTGACCGGCGGCTCTAGAGCTAGCCACCATGGTGAGCAAGGGCGAGG-'3, R : 5'-AGGTTGATTCCGGAGATATCGCGGCCGCTTTACTT-'3 (EGFP). Lenti-Nestin-EGFP는 Gibson Assembly Cloning에 의해 생성되었다. 단편을 pNestin-EGFP에서 PCR 증폭하고 PacI / EcoRI 절단을 사용하여 pLenti-CamKIIa-optoSTIM1에 삽입했다. 다음의 프라이머를 사용했다 : F : 5'-CAGAGATCCAGTTTGGTTAATTAACTGCAGGTCGACGGAGC-'3, R : 5'-GATTATCGATAAGCTTGATATCGAATTCGCGGCCGCTTTACTTG-'3.To construct optoFas, the myristoylation sequence (Lyn) and the PHR domain of cryptochrome 2 were amplified by polymerase chain reaction (PCR) and inserted into pEGFP-N1 (Clontech) using NheI/XhoI and BamHI/AgeI digestions. The cytoplasmic domain of Fas was PCR amplified from HeLa cell cDNA and inserted into the Lyn-PHR-EGFP construct using XhoI/EcoRI digestion. The following primers were used: F: 5'-GTAGCTAGCCACC ATGGGATGTATAAAATCAAAAG-'3, R: 5'-GTACTCGAGCGCACTACCAGCACTACCAG-'3 Lyn; F: 5'-GTAGGATCCCATGAAGATGGACAAAAAGACCA-'3, R: 5'-GTAACCGGTGCGTACACGGCAGCACCGATC-'3 PHR; F: 5'-GTACTCGAGAAGAGAAAGGAAGTACAGAAAACATGCAGA-'3, R: 5'-GTAGAATTCTGACCAAGCTTTGGATTTCATTT-'3 Fas. AAV-MAG-optoFAS was constructed by Gibson Assembly Cloning (New England Biolabs) and used to replace EGFP with PCR-amplified optoFas in the pAAV-MAG-EGFP vector (provided by M. Klugmann, University of New South Wales). AAV-Nestin-Cre was generated by PCR amplification of the Nestin promoter from pNestin-EGFP (Addgene #38777) and Cre from pCAG-iCre (Addgene #89573). The products were digested with MluI/XbaI and EcoRI/AgeI, respectively, and inserted into the pAAV-CaMKIIa-EGFP vector (Addgene #50469). The following primers were used: F: 5'-GTAACGCGTGGAGCAGGAGAAACAGGGCC-'3, R: 5'-GTATCTAGAAAGTCTTGGAGCCACCGC-'3 (Nestin). F: 5'-ATGCAGAATTCTTAGTCCCCATCCTCGAGCAG-'3, R: 5'-ATGCAACCGGTGCCACCATGCCCAAGAAGAAG-'3 Cre. AAV-hSyn-DIO-optoFAS was constructed by replacing EGFP with optoFas using PCR amplification and NheI/AscI digestion in the pAAV-hSyn-DIO-EGFP vector (Addgene #50457). The following primers were used: F: 5'-GTAGCTAGCCACCATGGGATGTATAAAATCAAAAGG-'3, R: 5'-GTAGGCGCGCCCGGCCGCTTTACTTGTACAGC-'3. AAV-CAG-optoFas and AAV-CAG-EGFP were constructed by Gibson Assembly Cloning, replacing the XbaI/EcoRV sequence in the AAV-CAG-FLEX-EGFP vector (Addgene #28304) with optoFas or EGFP in the pEGFP-N1 vector It was used to The following primers were used: F: 5'-GTGTGACCGGCGGCTCTAGAGCTAGCCACCATGGGATGTATAAAATCAA-'3, R: 5'-AGGTTGATTCCGGAGATATCGCGGCCGCTTTTACTT-'3 (optoFAS). F: 5'-GTGTGACCGGCGGCTCTAGAGCTAGCCACCATGGTGAGCAAGGGCGAGG-'3, R: 5'-AGGTTGATTCCGGAGATATCGCGGCCGCTTTTACTT-'3 (EGFP). Lenti-Nestin-EGFP was generated by Gibson Assembly Cloning. The fragment was PCR amplified from pNestin-EGFP and inserted into pLenti-CamKIIa-optoSTIM1 using PacI/EcoRI digestion. The following primers were used: F: 5'-CAGAGATCCAGTTTGGTTAATTAACTGCAGGTCGACGGAGC-'3, R: 5'-GATTATCGATAAGCTTGATATCGAATTCGCGGCCGCTTTACTTG-'3.

(2) qRT-PCR(2) qRT-PCR

배양된 뉴런을 12웰 플레이트에서 인큐베이션 했다. AAV를 MOI20,000에서 플레이트에 적용하였다. 광 자극 또는 수용성 Fas 리간드 처리 후 뉴런을 회수하고 원심분리하여 RNA가 분리될 때까지 -80℃에서 저장하였다. 해마 조직은 광 자극 직후 암실에서 면도기로 얼음 중 해부하였다. 채취한 조직을 급속 동결하여 RNA 분리될 때까지 -80 ℃에서 저장하였다.Cultured neurons were incubated in 12-well plates. AAV was applied to the plate at MOI20,000. After light stimulation or treatment with soluble Fas ligand, neurons were recovered, centrifuged, and stored at -80°C until RNA was isolated. Hippocampal tissue was dissected on ice with a razor in the dark immediately after light stimulation. The collected tissues were quickly frozen and stored at -80°C until RNA isolation.

RNA는 PureLink RNA Mini Kit (cat.No.12183018A; Ambion)를 사용하여 제조업체의 프로토콜에 따라 분리 및 정제했다. 얻어진 mRNA (1μg)를 사용하여 SuperScript III First-Strand Synthesis System (cat. No. 18080-051; Invitrogen)로 cDNA를 제조했다. qRT-PCR은 Solg 2X 실시간 PCR 스마트 믹스 (cat. No. SRH72-M40h; SolGent)와 EvaGreenTM 색소를 사용하여 실시했다. 제조업체가 권장하는 3 단계의 사이클링 프로토콜을 50 사이클 사용했다. 다음의 프라이머를 사용했다 : 랫트 BDNF, F : 5'-GGTTCGAGAGGTCTGACGAC-'3, R : 5'-CAAAGGCACTTGACTGCTGA-'3; 랫트 IGF-1, F : 5'-CCTGGGCTTTGTTTTCACTTCGG-'3, R : 5'- TTTGTAGGCTTCAGCGGAGCAC-'3; 랫트 IL-6, F : 5'-CAGGAACGAAAGTCAACTCCA-'3, R : 5'-ATCAGTCCCAAGAAGGCAACT-'3; 랫트 NeuroD, F : 5'-GTTCCACGTCAAGCCGCCGC-'3, R : 5'-AGCGGCACCCGAGGAGAAGA- '3; 랫트 Hes5, F : 5'-CGGCACCAGCCCAACTCCAA-'3, R : 5'-GGAACTGCACCGCCTCCTGC-'3. 마우스 BDNFI, F : 5'-CCTGCATCTGTTGGGGAGAC-'3, R : 5'-CGCCTTCATGCAACCGAAGTAT-'3; 마우스 BDNFII, F : 5'-ACCTTTTCCTCCTCCTGCG-'3, R : 5'-TGGATGAAGTACTACCACCTCGG-'3; 마우스 BDNFIII, F : 5'-TGAGACTGCGCTCCACTCCC-'3, R : 5'-CGCCTTCATGCAACCGAAGTAT-'3; 마우스 BDNFIV, F : 5'-CAGAGCAGCTGCCTTGATGTTT-'3, R : 5'-CGCCTTCATGCAACCGAAGTAT-'3; 마우스 BDNFV, F : 5'- CTCTGTGTAGTTTCATTGTGTGTTC-'3, R : 5'-GAAGTGTACAAGTCCGCGTCCTTA-'3; 마우스 BDNFVI, F : 5'-ACAATGTGACTCCACTGCCGG-'3, R : 5'-CGCCTTCATGCAACCGAAGTAT-'3; 마우스 BDNFVII, F : 5'-ACTTACAGGTCCAAGGTCAACG-'3 , R : 5'-GGACAGAGGGTCGGATACAG-'3; 마우스 BDNFVIII, F : 5'-ATGACTGTGCATCCCAGGAGAAA-'3, R : 5'-CGCCTTCATGCAACCGAAGTAT-'3; 마우스 BDNFIXa, F : 5'-CCCAAAGCTGCTAAAGCGGGAGGAAG-'3, R : 5 '-GAAGTGTACAAGTCCGCGTCCTTA-'3; 마우스 총 BDNF, F : 5'-TCGTTCCTTTCGAGTTAGCC-'3, R : 5'-TTGGTAAACGGCACAAAAC-'3.RNA was isolated and purified using the PureLink RNA Mini Kit (cat.No.12183018A; Ambion) according to the manufacturer's protocol. The obtained mRNA (1 μg) was used to prepare cDNA with the SuperScript III First-Strand Synthesis System (cat. No. 18080-051; Invitrogen). qRT-PCR was performed using Solg 2X Real-Time PCR Smart Mix (cat. No. SRH72-M40h; SolGent) and EvaGreenTM dye. A three-step cycling protocol recommended by the manufacturer was used for 50 cycles. The following primers were used: rat BDNF, F: 5'-GGTTCGAGAGGTCTGACGAC-'3, R: 5'-CAAAGGCACTTGACTGCTGA-'3; Rat IGF-1, F: 5'-CCTGGGCTTTGTTTTCACTTCGG-'3, R: 5'-TTTGTAGGCTTCAGCGGAGCAC-'3; Rat IL-6, F: 5'-CAGGAACGAAAGTCAACTCCA-'3, R: 5'-ATCAGTCCCAAGAAGGCAACT-'3; Rat NeuroD, F: 5'-GTTCCACGTCAAGCCGCCGC-'3, R: 5'-AGCGGCACCCGAGGAGAAGA-'3; Rat Hes5, F: 5'-CGGCACCAGCCCAACTCCAA-'3, R: 5'-GGAACTGCACCGCCTCCTGC-'3. Mouse BDNFI, F: 5'-CCTGCATCTGTTTGGGGAGAC-'3, R: 5'-CGCCTTCATGCAACCGAAGTAT-'3; Mouse BDNFII, F: 5'-ACCTTTTCCTCCTCCTGCG-'3, R: 5'-TGGATGAAGTACTACCACCTCGG-'3; Mouse BDNFIII, F: 5'-TGAGACTGCGCTCCACTCCC-'3, R: 5'-CGCCTTCATGCAACCGAAGTAT-'3; Mouse BDNFIV, F: 5'-CAGAGCAGCTGCCTTGATGTTT-'3, R: 5'-CGCCTTCATGCAACCGAAGTAT-'3; Mouse BDNFV, F: 5'-CTCTGTGTAGTTTCATTGTGTGTTC-'3, R: 5'-GAAGTGTACAAGTCCCGCGTCCTTA-'3; Mouse BDNFVI, F: 5'-ACAATGTGACTCCACTGCCGG-'3, R: 5'-CGCCTTCATGCAACCGAAGTAT-'3; Mouse BDNFVII, F: 5'-ACTTACAGGTCCAAGGTCAACG-'3, R: 5'-GGACAGAGGGTCGGATACAG-'3; Mouse BDNFVIII, F: 5'-ATGACTGTGCATCCCAGGAGAAA-'3, R: 5'-CGCCTTCATGCAACCGAAGTAT-'3; Mouse BDNFIXa, F: 5'-CCCAAAGCTGCTAAAGCGGGAGGAAG-'3, R: 5'-GAAGTGTACAAGTCCCGCGTCCTTA-'3; Mouse total BDNF, F: 5'-TCGTTCCTTTCGAGTTAGCC-'3, R: 5'-TTGGTAACGGCACAAAAC-'3.

(3) LED 자극 및 세포 생존 분석.(3) LED stimulation and cell survival assay.

TouchBright W-96 LED 구동 시스템 (TouchBright W-96 LED Excitation System, Live Cell Instrument)를 사용하여 HeLa 세포 및 희소 돌기 아교 세포 (oligodendrocyte)의 광 자극을 실시하고, 세포 생존율을 테스트하였다. Light stimulation of HeLa cells and oligodendrocytes was performed using the TouchBright W-96 LED Excitation System (Live Cell Instrument), and cell viability was tested.

세포 생존율 테스트 한 HeLa 세포 및 올리고 덴 사이트의 빛 자극을 실시했다. LED 시스템의 전력 강도를 조절하여, 0~20μW/mm2 470nm의 광으로 세포에 광 조사하였다. 대부분의 실험에서 5μW/mm2의 광 강도와 33%의 듀티 사이클 (1초간 광, 2초 간 암조건)이 사용되었다. 희소 돌기 아교 세포의 세포사멸 유도를 위해 12 시간 동안 광 자극했다.Light stimulation of HeLa cells and oligodensites was tested for cell viability. By adjusting the power intensity of the LED system, cells were irradiated with light of 0~20μW/mm2 and 470nm. In most experiments, a light intensity of 5 μW/mm2 and a duty cycle of 33% (1 second light, 2 seconds dark) were used. To induce apoptosis in oligodendrocytes, they were light stimulated for 12 hours.

96 웰 플레이트 세포의 생존율을 분석하기 위해 Cell Counting Kit-8 (cat. No. CK04-01; Dojindo Molecular Technologies)를 사용했다. 제조업체의 지시에 따라 광 자극된 세포를 10% Cell Counting Kit-8 용액을 포함하는 배지에서 배양, VERSA max 마이크로 플레이트 리더 (Molecular Devices)를 사용하여 450nm에서 흡광도를 측정했다.Cell Counting Kit-8 (cat. No. CK04-01; Dojindo Molecular Technologies) was used to analyze the viability of 96-well plate cells. Light-stimulated cells were cultured in medium containing 10% Cell Counting Kit-8 solution according to the manufacturer's instructions, and absorbance was measured at 450 nm using a VERSA max microplate reader (Molecular Devices).

(4) 생존 세포 이미징 및 광활성화(4) Live cell imaging and photoactivation

생존 세포 이미징은 배율 60배의 CFI PlanApo 대물렌즈를 갖춘 Nikon A1R 공초점 현미경을 사용했다. 멀티 컬러 이미지는 488 nm, 561 nm 및 647nm의 레이저를 사용하여 검색되었다. 현미경 스테이지는 온도(37ㅀC)와 CO2 농도 (10 %)을 유지하기 위해 사용되는 Chamlide TC 시스템 (Live Cell Instrument)이 장착되어 있다.Live cell imaging was performed using a Nikon A1R confocal microscope equipped with a CFI PlanApo objective at 60x magnification. Multi-color images were retrieved using lasers of 488 nm, 561 nm and 647 nm. The microscope stage is equipped with a Chamlide TC system (Live Cell Instrument) used to maintain temperature (37°C) and CO 2 concentration (10%).

JNK-KTR 및 ERK-KTR 실험과 pS6 면역세포화학 실험을 위해, 뉴런을 링거액 (145 mM NaCl, 2.5 mM KCl, 10 mM 포도당 10 mM HEPES, 2 mM CaCl2 및 1 mM MgCl2)에 1-3 시간 동안 기아 상태로 두었다. 광 활성화를 위해 Galvano scanner에서 방출된 488 nm 레이저를 고속 선택기 (Nikon)을 갖춘 하이브리드 공초점 스캔 헤드에 통합시켰다. 대부분의 in vitro 실험에서는 특히 지정이 없는 한 활성화에 5 μW/mm2의 광 강도와 3분 마다 1초 빈도 (듀티 사이클 0.55 %)를 사용했다. HeLa 세포의 국소 자극은 5 μW/mm2의 레이저 강도와 5분마다 11 초 지속 시간을 사용했다. Nikon 이미징 소프트웨어 (NIS-elements AR 64 비트 버전 4.10, Laboratory Imaging)을 사용하여 얻은 정보를 기반으로 자극 영역을 조정했다.For JNK-KTR and ERK-KTR experiments and pS6 immunocytochemistry experiments, neurons were incubated in Ringer's solution (145mM NaCl, 2.5mM KCl, 10mM glucose, 10mM HEPES, 2mM CaCl2 and 1mM MgCl2) for 1-3 hours. were left to starve. For light activation, a 488 nm laser emitted from a Galvano scanner was integrated into a hybrid confocal scan head equipped with a high-speed selector (Nikon). Most in vitro experiments used a light intensity of 5 μW/mm2 and a frequency of 1 second every 3 minutes (duty cycle 0.55%) for activation, unless specifically specified. Local stimulation of HeLa cells used a laser intensity of 5 μW/mm2 and a duration of 11 seconds every 5 minutes. The stimulation area was adjusted based on the information obtained using Nikon imaging software (NIS-elements AR 64-bit version 4.10, Laboratory Imaging).

(5) 마우스 광 자극.(5) Mouse light stimulation.

청색 다이오드 473nm 레이저 (MBL-III-473m; CNI)와 결합된 광섬유를 사용하여 청색광을 in vivo에서 조사했다. 마우스 뇌의 광 자극은 5 mW/mm2의 강도와 500mHz의 주파수 (33 % 듀티 사이클)에서 실행되었다. 반복 자극 실험에서는 광을 1일당 4시간, 3-5일 조사했다.Blue light was irradiated in vivo using an optical fiber coupled to a blue diode 473 nm laser (MBL-III-473m; CNI). Optical stimulation of the mouse brain was performed at an intensity of 5 mW/mm2 and a frequency of 500 mHz (33% duty cycle). In the repetitive stimulation experiment, light was irradiated for 4 hours per day for 3-5 days.

(6) 행동 실험(6) Behavioral experiment

BDNF 분비를 생리적으로 유도하기 위해 마우스를 Mouse RotaRod (Ugo Basile)에 두고 1시간 운동시켰다. To physiologically induce BDNF secretion, mice were placed on a Mouse RotaRod (Ugo Basile) and exercised for 1 hour.

행동 시험 전에 모든 마우스를 1일 10분, 3일 동안 핸들링하였다.Before behavioral testing, all mice were handled for 10 minutes per day for 3 days.

해마에 의존적인 공간 작업 기억은 Y 미로 과제 중의 자발적 변경 수행능을 측정함으로써 평가되었다. Y 미로 챔버는 아크릴 재질로, 3개의 암 (arm)이 120도 떨어져 있다. 각 암의 길이는 40cm, 높이 17 cm, 폭 4 cm (아래), 폭은 13 cm (위)이다. 마우스를 하나의 미로 암 끝에 두고 15분 미로를 자유롭게 탐색할 수 있도록 했다. 녹화된 비디오에서 암들에 대한 이동 순서와 총 항목을 분석했다. 마우스의 뒷다리가 암에 놓인 때 침입이 일어난 것으로 고려하였다. 자발적 변경의 비율은 3개의 암 모두에 진입한 것을 포함한 3회 진입 수/가능한 최대의 변경 (진입한 암의 총수-2) X 100 (number of triads containing entries into all three arms/maximum possible alternations (the total number of arms entered - 2) X 100)으로 계산되었다.Hippocampus-dependent spatial working memory was assessed by measuring spontaneous alternation performance during the Y maze task. The Y maze chamber is made of acrylic and has three arms spaced 120 degrees apart. Each arm measures 40 cm long, 17 cm high, 4 cm wide (bottom) and 13 cm wide (top). Mice were placed at the end of one maze arm and allowed to freely explore the maze for 15 minutes. The movement order and total items for each arm were analyzed in the recorded video. Invasion was considered to have occurred when the mouse's hind limbs were placed on the arm. The rate of spontaneous alterations is the number of triads containing entries into all three arms/maximum possible alterations (the total number of triads containing entries - 2) It was calculated as total number of arms entered - 2)

오픈 필드 테스트는 아크릴 42 x 42 x 42cm 크기의 챔버에서 실시되었다. 각 마우스를 챔버의 중앙에 놓고 30분 동안 자유롭게 움직이도록 하였다. OptiMouse를 사용하여 비디오 녹화 데이터를 분석함으로써, 이동한 총 거리와 중앙 영역 (20 x 20 cm)에서 소비한 시간을 확인하였다. 검색 매개 변수로 OptiMouse 소프트웨어 알고리즘 6을 사용하여 몸의 위치를 감지했다. 평균 속도는 총 거리/시간으로 계산되었다. 불안 지수는 다음과 같이 계산되었다 :(총 시간 - 중앙 영역에서 소요된 시간) / 중앙 영역에서 소요된 시간. The open field test was conducted in an acrylic chamber measuring 42 x 42 x 42 cm. Each mouse was placed in the center of the chamber and allowed to move freely for 30 minutes. By analyzing the video recording data using OptiMouse, the total distance traveled and the time spent in the central area (20 x 20 cm) were determined. Body position was detected using OptiMouse software algorithm 6 with search parameters. Average speed was calculated as total distance/time. Anxiety index was calculated as follows: (total time - time spent in central zone) / time spent in central zone.

2. 실시예2. Example

(1) 광유전학적으로 활성화할 수 있는 Fas 수용체의 개발 및 검증 (도 1)(1) Development and validation of an optogenetically activatable Fas receptor (Figure 1)

(A) optoFAS 및 하류 신호 전달 경로의 개략도. (B) 암조건에서 배양된 optoFAS 형질감염 세포와 비교하여, 광 자극에 노출된 optoFAS 형질감염 HeLa 세포 및 광 자극에 노출된 Lyn-cyFAS-EGFP 형질감염 세포에서 유도된 세포사멸의 대표적인 공초점 이미지. 스케일 바, 50μm. (C) 시간에 따라 HeLa 세포의 세포사멸 유도에 대한 정량화. 라벨 : OptoFAS Light, 5μW/mm2의 연속 청색광에 노출된 OptoFAS를 발현하는 세포; OptoFAS Dark 암조건에서 배양된 동일 세포; FKBP/FRB + Rap, 500nM 라파마이신 처리된 Lyn-cyFAS-FKBP-EGFP 및 Lyn-cyFAS-FRB-mCherry로 형질감염된 세포. FKBP / FRB-Rap, 라파마이신 처리하지 않은 동일한 세포. SFasL, 수용성 Fas 리간드 100ng/ml로 처리. 시스플라틴, 시스플라틴 10μg/ml로 치료 (그룹당 n≥80 세포). (D) 세포사멸을 일으키는 optoFAS 및 카스파제-3 바이오센서로 형질감염된 HeLa 세포의 대표적인 공초점 이미지로, 카스파제-3의 활성화를 보여준다. 스케일 바, 20μm. (E) 세포사멸을 일으키는 optoFAS 및 카스파제-8 바이오센서로 형질감염된 HeLa 세포의 대표적인 공초점 이미지로, 카스파제-8의 활성화를 보여준다. 스케일 바, 20μm. (F) (D)에 나타낸 세포에 대하여 카스파제-3 바이오센서 활성의 정량화. (G) (E)에 나타낸 세포에 대하여 카스파제-8 바이오센서 활성의 정량화. (H) JNK-KTR 센서에 의해 확인된 바와 같이 optoFAS 형질감염된 DIV 7 배양 대뇌 해마 뉴런에서 조명 존재 및 부재하 JNK의 활성화 (n = 20개의 세포가 광그룹과 암그룹 모두에 포함). (I) pS6의 발현을 보여주는 광 자극의 유무에 따른 optoFAS 형질감염 세포의 대표적인 면역세포화학적 염색 이미지. 스케일 바, 50μm. (J) (I)에 나타낸 데이터의 정량화. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시되어 있다. 각 그룹 당 n≥100 세포. 통계 분석은 이원ANOVA (ANOVA)을 사용. **** P <0.0001; ns 유의하지 않음.(A) Schematic diagram of optoFAS and downstream signaling pathways. (B) Representative confocal images of apoptosis induced in optoFAS transfected HeLa cells exposed to light stimulation and Lyn-cyFAS-EGFP transfected cells exposed to light stimulation, compared to optoFAS transfected cells cultured in dark conditions. . Scale bar, 50 μm. (C) Quantification of apoptosis induction in HeLa cells over time. Labels: OptoFAS Light, cells expressing OptoFAS exposed to continuous blue light at 5 μW/mm2; OptoFAS Dark Identical cells cultured in dark conditions; FKBP/FRB + Rap, cells transfected with Lyn-cyFAS-FKBP-EGFP and Lyn-cyFAS-FRB-mCherry treated with 500 nM rapamycin. FKBP/FRB-Rap, same cells without rapamycin treatment. SFasL, treated with 100 ng/ml of soluble Fas ligand. Cisplatin, treated with cisplatin 10 μg/ml (n≥80 cells per group). (D) Representative confocal images of HeLa cells transfected with apoptotic optoFAS and caspase-3 biosensors, showing activation of caspase-3. Scale bar, 20 μm. (E) Representative confocal image of HeLa cells transfected with apoptotic optoFAS and caspase-8 biosensors, showing activation of caspase-8. Scale bar, 20 μm. (F) Quantification of caspase-3 biosensor activity for cells shown in (D). (G) Quantification of caspase-8 biosensor activity for cells shown in (E). (H) Activation of JNK in the presence and absence of illumination in optoFAS transfected DIV 7 cultured cerebral hippocampal neurons as determined by the JNK-KTR sensor (n = 20 cells included in both light and dark groups). (I) Representative immunocytochemical staining images of optoFAS transfected cells with or without light stimulation showing expression of pS6. Scale bar, 50 μm. (J) Quantification of data shown in (I). Data are expressed as mean ± SEM. n≥100 cells per each group. Statistical analysis used two-way ANOVA (ANOVA). ****P<0.0001; ns not significant.

(2) Fas의 광유전학적 활성화는 치아 이랑에서 동적 신호 전달 네트워크를 보인다 (도 2)(2) Optogenetic activation of Fas reveals a dynamic signaling network in the dentate gyrus (Figure 2)

(A) 바이러스 주사 실험 단계를 나타내는 개략도 및 타임라인. (B) 치아 이랑에서 AAV-Nestin-Cre 및 AAV-hSyn-DIO-optoFAS의 발현을 보여주는 대표적인 이미지. 스케일 바, 200μm. (C) 조명 지속 시간이 증가했을 때 optoFAS 형질도입 치아 이랑에서 pS6 및 pErk 수준 변화에 대한 대표적인 이미지. 삽입 도 은 대표적인 초점 영역을 보여준다. 스케일 바, 100μm (삽입, 50μm). (D) (C)에서 pS6 양성 세포의 정량화. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시된다. n≥4의 마우스가 각 조건에 포함되었다. 일원ANOVA을 통계 분석에 사용. **** P <0.0001; * P <0.05; ns 유의하지 않음. (E) (C)에서 pErk 양성 세포의 정량화. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시된다. n≥4의 마우스가 각 조건에 포함되었다. 일원ANOVA을 통계 분석에 사용. ns는 유의하지 않음. **** P <0.0001; * P <0.05. (F) GFP + 세포와 pS6 + 세포의 공동 국소화를 나타내는 대표적인 이미지. 스케일 바, 20μm. (G) (F)의 정량화. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시된다. n = 6 마리의 마우스. 마우스 당 하나의 섹션이 무작위로 선택되었다. n≥20의 pS6 + 세포가 각 섹션에 포함되었다. (H) GFP + 세포와 pErk + 세포의 공동 국소화의 결여를 나타내는 대표적인 이미지. 스케일 바, 20μm. (I) (H)에 나타내는 데이터의 정량화. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시된다. n = 6 마리의 마우스. 마우스 당 하나의 섹션이 무작위로 선택되었다. n≥20의 pErk + 세포가 각 섹션에 포함되었다. (J) 신경 줄기세포 마커인 SOX2 (상단) 및 DCX (하단)에 대비 염색된 하위 과립존에서의 pErk 양성세포. 화살표는 공동 국소화하는 시그널을 갖는 세포를 보여준다. 스케일 바, 50μm. (K) 모든 pErk 양성 세포에서 SOX2 양성 또는 DCX 양성 세포의 비율. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시된다. n = 5 마리의 마우스. 마우스 당 하나의 섹션이 무작위로 선택되었다. n≥20의 pErk + 세포가 각 섹션에 포함되었다. (L) in vivo에서 mTOR 경로의 라파마이신 유도 차단을 나타내는 개략도 및 타임라인. (M) pS6 및 pErk 수준에 대한 mTOR 차단 효과의 대표적인 이미지. 스케일 바, 100μm. (N) (M) 상단 열에서 pS6 양성 세포의 정량화. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시된다. n = 그룹당 5 마리의 마우스, 마우스 당 4 개의 섹션이 무작위로 선택되었다. 통계 분석에 unpaired two-tailed t-test 사용. **** P <0.0001. (O) (M) 하단 열에서 pErk 양성 세포의 정량화. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시된다. n = 그룹당 5 마리의 마우스, 마우스 당 4 개의 섹션이 무작위로 선택되었다. 통계 분석에 unpaired two-tailed t-test 사용. **** P <0.0001.(A) Schematic and timeline representing the steps of the virus injection experiment. (B) Representative images showing the expression of AAV-Nestin-Cre and AAV-hSyn-DIO-optoFAS in the dentate gyrus. Scale bar, 200 μm. (C) Representative images of changes in pS6 and pErk levels in the optoFAS transduced dentate gyrus when illumination duration was increased. The inset shows a representative focal area. Scale bar, 100 μm (inset, 50 μm). (D) Quantification of pS6-positive cells in (C). Data are expressed as mean ± SEM. n≥4 mice were included in each condition. One-way ANOVA was used for statistical analysis. ****P<0.0001;*P<0.05; ns not significant. (E) Quantification of pErk-positive cells in (C). Data are expressed as mean ± SEM. n≥4 mice were included in each condition. One-way ANOVA was used for statistical analysis. ns is not significant. ****P<0.0001;*P<0.05. (F) Representative image showing colocalization of GFP + cells and pS6 + cells. Scale bar, 20 μm. (G) Quantification of (F). Data are expressed as mean ± SEM. n = 6 mice. One section per mouse was randomly selected. n≥20 pS6 + cells were included in each section. (H) Representative image showing the lack of colocalization of GFP + cells and pErk + cells. Scale bar, 20 μm. (I) Quantification of data shown in (H). Data are expressed as mean ± SEM. n = 6 mice. One section per mouse was randomly selected. n≥20 pErk + cells were included in each section. (J) pErk-positive cells in the subgranular zone counterstained for neural stem cell markers SOX2 (top) and DCX (bottom). Arrows show cells with colocalizing signals. Scale bar, 50 μm. (K) Proportion of SOX2-positive or DCX-positive cells in all pErk-positive cells. Data are expressed as mean ± SEM. n = 5 mice. One section per mouse was randomly selected. n≥20 pErk + cells were included in each section. (L) Schematic and timeline showing rapamycin-induced blockade of the mTOR pathway in vivo . (M) Representative images of the effect of mTOR blockade on pS6 and pErk levels. Scale bar, 100 μm. (N) Quantification of pS6 positive cells in (M) top row. Data are expressed as mean ± SEM. n = 5 mice per group, 4 sections per mouse were randomly selected. Unpaired two-tailed t-test was used for statistical analysis. ****P<0.0001. (O) (M) Quantification of pErk-positive cells in the bottom row. Data are expressed as mean ± SEM. n = 5 mice per group, 4 sections per mouse were randomly selected. Unpaired two-tailed t-test was used for statistical analysis. ****P<0.0001.

(3) 미성숙 뉴런에서 Fas의 광유전학적 자극은 BDNF 분비를 유도하여, 파라크린 (paracrine) 매개자 역할을 한다 (도 3)(3) Optogenetic stimulation of Fas in immature neurons induces BDNF secretion, acting as a paracrine mediator (Figure 3)

(A) 배양 해마 뉴런에 대한 바이러스 형질도입과 광 자극의 개략도 및 타임라인. (B-D) 광 자극에 노출된 optoFAS 도입 뉴런, 광 자극에 노출된 GFP 도입 뉴런 및 수용성 Fas 리간드로 처리된 GFP 도입 뉴런에서 BDNF (B), IGF-1 (C), IL-6 (D)의 qRT-PCR 결과. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시됨. n = 그룹당 3. 일원 분산 분석을 통계 분석에 사용. ns 유의하지 않음. ** P <0.01; *** P <0.001; **** P <0.0001. (E) 배양 해마 뉴런의 바이러스 형질도입, 라파마이신 치료 및 광 자극의 개략도 및 타임라인. (F-G) 라파마이신 처리된 광 자극에 노출된 optoFAS 형질도입 뉴런 및 수용성 Fas 리간드로 처리된 GFP 형질도입 뉴런에서 BDNF (F) 및 IGF-1 (G)의 qRT-PCR 결과. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시됨. n = 그룹당 3. 통계 분석은 이원 ANOVA을 사용. ns 유의하지 않음. ** P <0.01. (H) 광 자극에 노출된 optoFAS 형질도입 뉴런, 광 자극에 노출된 GFP 형질도입 뉴런 및 Fas 리간드로 처리된 GFP 형질도입 뉴런의 상층액에 대한 BDNF ELISA 결과. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시됨. 그룹당 n≥3. 통계 분석은 이원 ANOVA을 사용. ns 유의하지 않음. **** P <0.0001. (I) Bdnf flox/flox 마우스의 미성숙 뉴런이 AAV-Nestin-Cre 및 AAV-hSyn-DIO-optoFAS의 형질도입을 통해 BDNF 전사에서 결손을 획득하기 위해 어떻게 표적화되는지 나타낸 개략도. (J) AAV-Nestin-Cre 및 AAV-hSyn-DIO-optoFAS가 형질도입된 광 노출된 Bdnf flox/flox 마우스의 pS6 (상단) 및 pErk (하단) 면역조직화학적 염색의 대표적인 이미지. 삽입 도면은 대표적인 초점 영역을 보여준다. 스케일 바, 100μm (삽입, 50μm). (K) (J)의 pS6 양성세포의 정량화 및 Bdnf +/+ 마우스의 세포와 비교. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시됨. n = 5 마리의 마우스. 마우스마다 4개의 섹션이 무작위로 선택되었다. unpaired two-tailed t-test을 통계 분석에 사용. ns 유의하지 않음. (L) (J)의 pErk 양성 세포의 정량화 및 Bdnf +/+ 마우스의 세포와 비교. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시됨. n = 5 마리의 마우스. 마우스마다 4 개의 섹션이 무작위로 선택되었다. unpaired two-tailed t-test을을 통계 분석에 사용. *** P <0.001. (M) 마우스 해마 조직에 대한 바이러스 주사 및 qRT-PCR 실험 절차의 개략도 및 타임라인. (N) 광 자극에 노출된 optoFAS 형질도입 마우스 및 운동한 마우스에서 뇌의 총 BDNF mRNA 발현 수준. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시됨. n = 그룹당 3. 일원 분산 분석 을 통계 분석에 사용. **** P <0.0001; ns 유의하지 않음. *** P <0.001. (O) optoFAS를 형질도입한 마우스 뇌와 운동한 마우스의 뇌에서 BDNF의 스플라이싱 변이체에 대한 mRNA 발현 수준. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시됨. 그룹당 n = 3. (P) 반복 자극에 노출 후 마우스 해마 조직에 대한 바이러스 주사 및 qRT-PCR 실험 절차의 타임라인. (Q) 단일 또는 반복 광 자극을 받은 optoFAS 형질도입 해마에서 총 BDNF mRNA 발현 수준. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시됨. n = 그룹당 3. 일원 분산 분석을 통계 분석에 사용. * P <0.05, ** P <0.01. (R) 단일 또는 반복 광 자극을 받은 optoFAS 형질도입 해마에서 BDNF II, IV, VI, VIII의 mRNA 발현 수준. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시됨. n = 그룹당 3. 일원 분산 분석을 통계 분석에 사용. **** P <0.0001.(A) Schematic and timeline of viral transduction and light stimulation of cultured hippocampal neurons. (BD) Levels of BDNF (B), IGF-1 (C), and IL-6 (D) in optoFAS-transduced neurons exposed to light stimulation, GFP-transduced neurons exposed to light stimulation, and GFP-transduced neurons treated with soluble Fas ligand. qRT-PCR results. Data are expressed as mean ± SEM. n = 3 per group. One-way analysis of variance was used for statistical analysis. ns not significant. **P<0.01;***P<0.001;****P<0.0001. (E) Schematic and timeline of viral transduction, rapamycin treatment, and light stimulation of cultured hippocampal neurons. (FG) qRT-PCR results of BDNF (F) and IGF-1 (G) in optoFAS transduced neurons exposed to rapamycin-treated light stimulation and GFP-transduced neurons treated with soluble Fas ligand. Data are expressed as mean ± SEM. n = 3 per group. Statistical analysis used two-way ANOVA. ns not significant. **P<0.01. (H) BDNF ELISA results for supernatants of optoFAS transduced neurons exposed to light stimulation, GFP transduced neurons exposed to light stimulation, and GFP transduced neurons treated with Fas ligand. Data are expressed as mean ± SEM. n≥3 per group. Statistical analysis used two-way ANOVA. ns not significant. ****P<0.0001. (I) Schematic showing how immature neurons in Bdnf flox/flox mice are targeted to acquire defects in BDNF transcription through transduction of AAV-Nestin-Cre and AAV-hSyn-DIO-optoFAS. (J) Representative images of pS6 (top) and pErk (bottom) immunohistochemical staining in light-exposed Bdnf flox/flox mice transduced with AAV-Nestin-Cre and AAV-hSyn-DIO-optoFAS. The insets show representative focal areas. Scale bar, 100 μm (inset, 50 μm). (K) Quantification of pS6 positive cells in (J) and comparison with cells from Bdnf +/+ mice. Data are expressed as mean ± SEM. n = 5 mice. Four sections were randomly selected per mouse. Unpaired two-tailed t-test was used for statistical analysis. ns not significant. (L) Quantification of pErk-positive cells from (J) and comparison with cells from Bdnf +/+ mice. Data are expressed as mean ± SEM. n = 5 mice. Four sections were randomly selected per mouse. An unpaired two-tailed t-test was used for statistical analysis. ***P<0.001. (M) Schematic diagram and timeline of virus injection and qRT-PCR experimental procedures on mouse hippocampal tissue. (N) Total BDNF mRNA expression levels in the brain in optoFAS transduced mice exposed to light stimulation and in exercised mice. Data are expressed as mean ± SEM. n = 3 per group. One-way analysis of variance was used for statistical analysis. ****P<0.0001; ns not significant. ***P<0.001. (O) mRNA expression levels for splicing variants of BDNF in the brains of optoFAS-transduced and exercised mice. Data are expressed as mean ± SEM. n = 3 per group. (P) Timeline of viral injection and qRT-PCR experimental procedures on mouse hippocampal tissue after exposure to repetitive stimulation. (Q) Total BDNF mRNA expression levels in optoFAS transduced hippocampus subjected to single or repeated light stimulation. Data are expressed as mean ± SEM. n = 3 per group. One-way analysis of variance was used for statistical analysis. *P<0.05, **P<0.01. (R) mRNA expression levels of BDNF II, IV, VI, and VIII in optoFAS transduced hippocampus subjected to single or repeated light stimulation. Data are expressed as mean ± SEM. n = 3 per group. One-way analysis of variance was used for statistical analysis. ****P<0.0001.

(4) Fas의 반복적인 활성화는 성체의 해마 신경신생을 유도한다 (도 4)(4) Repetitive activation of Fas induces adult hippocampal neurogenesis (Figure 4)

(A) optoFAS를 도입한 마우스의 뇌를 1회 또는 반복 광 자극 후 신경 줄기세포의 증식을 평가하기 위해 사용한 실험의 개략도 및 타임라인. (B) BrdU 면역조직화학적 염색에 의해 평가된 광 자극시의 신경 줄기세포 증식에 대한 대표적인 이미지 (왼쪽 열; 삽입 도 ; 대표적인 초점 영역) 및 각각의 경우 optoFAS 발현의 이미지 (오른쪽 열). 스케일 바, 100μm (삽입, 50μm). (C) SOX2 및 DCX에 대비염색된 부분에서 5 라운드의 광 자극 후 하위 과립 영역 중 BrdU 양성세포 (삽입 도 은 사각형으로 둘러싸인 영역을 나타내고, 화살표는 공동 국소화 시그널을 가지는 세포를 나타낸다). 스케일 바, 100μm (삽입, 20μm). (D) optoFAS를 형질도입한 마우스 뇌의 단일 또는 반복 광 자극 후 치아 이랑에서 BrdU + SOX2 + 또는 BrdU + DCX + 세포의 정량화. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시. n = 각 조건에서 5 마리의 마우스. 일원 분산 분석을 통계 분석에 사용. ns는 유의하지 않음. *** P <0.001; **** P <0.0001. (E) 반복적인 optoFAS 자극에 의한 성체 신경신생을 평가하기 위한 실험의 타임라인. (F) 칼레티닌 (calretinin)에 대비 염색된 BrdU 양성 세포의 대표적인 이미지. 오른쪽 창은 왼쪽의 이미지 박스 영역의 확대를 보여준다. 화살표는 공동 현지화하는 시그널을 갖는 세포를 보여준다. 스케일 바, 50μm (왼쪽), 20μm (오른쪽). (G) (F)에 나타낸 데이터의 정량화. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시된다. n = 각 조건에서 5 마리의 마우스. unpaired two-tailed t-test 을 통계분석에 사용. *** P <0.001. (H) optoFAS로 형질도입된 마우스 뇌에서 mTOR 경로의 차단시신경 줄기세포 증식을 평가하는데 사용된 실험의 타임라인. (I) 라파마이신 처리한 optoFAS 형질도입 치아 이랑에서 BrdU 양성세포에 대한 대표적인 이미지 (삽입 도 은 사각형으로 둘러싸인 영역을 보여준다). 스케일 바, 100μm (삽입, 50μm). (J) (I)에 나타낸 데이터의 정량화. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시. n = 각 조건에서 5 마리의 마우스. 일원 분산 분석을 통계 분석에 사용. **** P <0.0001 *** P <0.001.(A) Schematic diagram and timeline of experiments used to evaluate proliferation of neural stem cells after single or repeated light stimulation of the brains of mice transduced with optoFAS. (B) Representative images of neural stem cell proliferation upon light stimulation assessed by BrdU immunohistochemical staining (left column; insets; representative focal areas) and images of optoFAS expression in each case (right column). Scale bar, 100 μm (inset, 50 μm). (C) BrdU-positive cells in the subgranular area after 5 rounds of light stimulation in the section counterstained for SOX2 and DCX (the inset shows the area surrounded by a square, and arrows indicate cells with colocalization signals). Scale bar, 100 μm (inset, 20 μm). (D) Quantification of BrdU + SOX2 + or BrdU + DCX + cells in the dentate gyrus after single or repeated light stimulation of optoFAS-transduced mouse brain. Data expressed as mean ± SEM. n = 5 mice in each condition. One-way analysis of variance was used for statistical analysis. ns is not significant. ***P<0.001; ****P<0.0001. (E) Timeline of experiments to assess adult neurogenesis by repetitive optoFAS stimulation. (F) Representative image of BrdU-positive cells counterstained for calretinin. The right window shows a magnification of the image box area on the left. Arrows show cells with co-localizing signals. Scale bar, 50 μm (left), 20 μm (right). (G) Quantification of data shown in (F). Data are expressed as mean ± SEM. n = 5 mice in each condition. Unpaired two-tailed t-test was used for statistical analysis. ***P<0.001. (H) Timeline of experiments used to evaluate neural stem cell proliferation upon blockade of the mTOR pathway in mouse brains transduced with optoFAS. (I) Representative image of BrdU-positive cells in the optoFAS transduced dentate gyrus treated with rapamycin (the inset shows the area enclosed by a square). Scale bar, 100 μm (inset, 50 μm). (J) Quantification of data shown in (I). Data expressed as mean ± SEM. n = 5 mice in each condition. One-way analysis of variance was used for statistical analysis. ****P <0.0001 ***P<0.001.

(5) Fas 신호 전달 네트워크의 반복적인 활성화는 임시적 기억능 증가를 유도한다 (도 5)(5) Repeated activation of the Fas signaling network induces an increase in temporary memory function (Figure 5)

(A) 광 자극한 optoFAS 형질도입된 마우스를 평가하는데 사용되는 행동 시험의 개략도 및 타임 라인. (B) 단일 또는 반복 광 자극에 노출된 optoFAS 형질도입 마우스의 Y 미로 시험에서 자발적 변경. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시. n = 그룹당 5-6 마리의 마우스. 일원 분산 분석을 통계 분석에 사용. ns는 유의하지 않음. ** P <0.01. (C) 단일 또는 반복 광 자극에 노출된 optoFAS 형질도입 마우스 사이의 Y 미로 시험의 총 항목. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시. n = 그룹당 5-6 마리의 마우스. 일원 분산 분석을 통계 분석에 사용. ns는 유의하지 않음. (D) 광 자극 후 장기간 인큐베이션한 optoFAS 또는 GFP를 형질도입한 마우스의 행동 시험 타임 라인. (E) 5 라운드의 광 자극 후 인큐베이션 기간을 다양하게 한 optoFAS 또는 GFP 형질도입 마우스 사이의 Y 미로 시험에 대한 자발적 변경. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시. n = 그룹당 5 마리의 마우스. 일원 분산 분석을 통계 분석 사용. ns는 유의하지 않음. * P <0.05. (F) 5 라운드의 광 자극 후 인큐베이션 기간을 다양하게 한 optoFAS 또는 GFP 형질도입 마우스 사이의 Y 미로 시험 총 항목. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시. n = 그룹당 5 마리의 마우스. 일원 분산 분석을 통계 분석에 사용. ns는 유의하지 않음. (G) mTOR 경로 차단된 상태에서 광 자극에 노출된 optoFAS 형질도입 마우스의 행동 시험 타임 라인. (H) 반복 자극 및 라파마이신 처리된 optoFAS 형질도입 마우스 사이의 Y 미로 시험에 대한 자발적 변경. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시. n = 그룹 당 5-6 마리의 마우스. 일원 분산 분석을 통계 분석에 사용. ns는 유의하지 않음. ** P <0.01. (I) 반복 자극 및 라파마이신 처리된 optoFAS 형질도입 마우스 사이의 Y 미로 시험의 총 항목. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시. n = 그룹당 5-6 마리의 마우스. 일원 분산 분석을 통계 분석에 사용. ns는 유의하지 않음. (J) BDNF / TrkB 차단된 상태에서 광 자극에 노출된 optoFAS 형질도입 마우스의 행동 시험의 타임 라인. (K) 반복 자극 및 ANA-12 처리된 optoFAS 형질도입 마우스 사이의 Y 미로 시험의 자발적 변경. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시된다. n = 그룹당 5 마리의 마우스. 일원 분산 분석을 통계 분석에 사용. ns는 유의하지 않음. * P <0.05. (L) 반복 자극 및 ANA-12 처리된 optoFAS 형질도입 마우스 사이의 Y 미로 시험의 총 항목. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시. n = 그룹당 5 마리의 마우스. 일원 분산 분석을 통계 분석에 사용. ns는 유의하지 않음.(A) Schematic and timeline of behavioral tests used to evaluate light-stimulated optoFAS transduced mice. (B) Spontaneous changes in the Y maze test in optoFAS transgenic mice exposed to single or repeated light stimulation. Data expressed as mean ± SEM. n = 5–6 mice per group. One-way analysis of variance was used for statistical analysis. ns is not significant. **P<0.01. (C) Total entries of the Y maze test between optoFAS transduced mice exposed to single or repeated light stimulation. Data expressed as mean ± SEM. n = 5–6 mice per group. One-way analysis of variance was used for statistical analysis. ns is not significant. (D) Timeline of behavioral tests in mice transduced with optoFAS or GFP after prolonged incubation after light stimulation. (E) Spontaneous alterations on the Y maze test between optoFAS or GFP transduced mice with varying incubation periods after five rounds of light stimulation. Data expressed as mean ± SEM. n = 5 mice per group. Statistical analysis used one-way analysis of variance. ns is not significant. *P<0.05. (F) Total entries in the Y maze test between optoFAS or GFP transduced mice with varying incubation periods after five rounds of light stimulation. Data expressed as mean ± SEM. n = 5 mice per group. One-way analysis of variance was used for statistical analysis. ns is not significant. (G) Timeline of behavioral testing of optoFAS transgenic mice exposed to light stimulation while mTOR pathway is blocked. (H) Spontaneous alterations on the Y maze test between repetitively stimulated and rapamycin-treated optoFAS transgenic mice. Data expressed as mean ± SEM. n = 5-6 mice per group. One-way analysis of variance was used for statistical analysis. ns is not significant. **P<0.01. (I) Total entries of the Y maze test between repetitively stimulated and rapamycin-treated optoFAS transduced mice. Data expressed as mean ± SEM. n = 5–6 mice per group. One-way analysis of variance was used for statistical analysis. ns is not significant. (J) Timeline of behavioral tests in optoFAS transduced mice exposed to light stimulation in the presence of BDNF/TrkB blockade. (K) Spontaneous alterations in the Y maze test between repeated stimulation and ANA-12 treated optoFAS transgenic mice. Data are expressed as mean ± SEM. n = 5 mice per group. One-way analysis of variance was used for statistical analysis. ns is not significant. *P<0.05. (L) Total entries of the Y maze test between repeated stimulation and ANA-12 treated optoFAS transgenic mice. Data expressed as mean ± SEM. n = 5 mice per group. One-way analysis of variance was used for statistical analysis. ns is not significant.

(6) 장기간 반복적인 활성화 상태에 따른 성체 해마 치아 이랑 (DG: dentate gyrus)에서 Fas 신호 전달 분자 및 세포 역학의 요약 (도 6)(6) Summary of Fas signaling molecules and cellular dynamics in the adult hippocampal dentate gyrus (DG) following long-term repetitive activation states (Figure 6)

(A) 광유전학적 Fas 활성화시 DG에서 Fas 신호 전달 분자 동역학 요약. DG의 미성숙 뉴런에서 일시적 Fas 활성화는 이러한 세포의 mTOR 경로 활성화를 유도한다. 활성화 결과가 길어지면, Fas에서 활성화된 미성숙 뉴런에서 분비되는 BDNF를 통해 신경 줄기세포의 pErk가 증가한다. NSC 신경 줄기세포; IN 미성숙 뉴런; MN 성숙한 뉴런. (B) DG에서 Fas 신호의 반복 활성화 후 관찰된 조직학적 결과 및 행동적 결과의 요약. DG에서 Fas-mTOR (미성숙 뉴런)-BDNF VI-pErk (신경 줄기세포) 파라크린 경로의 반복 활성화는 신경 줄기세포의 증식을 유도하여 일시적으로 공간 작업 기억능을 증가시킨다. IN 미성숙 뉴런; NSC 신경 줄기세포.(A) Summary of the molecular dynamics of Fas signaling in the DG upon optogenetic Fas activation. Transient Fas activation in immature neurons of the DG induces mTOR pathway activation in these cells. As the result of activation is prolonged, pErk of neural stem cells increases through BDNF secreted from Fas-activated immature neurons. NSC neural stem cells; IN immature neurons; MN mature neurons. (B) Summary of histological and behavioral outcomes observed after repeated activation of Fas signaling in the DG. Repeated activation of the Fas-mTOR (immature neuron)-BDNF VI-pErk (neural stem cell) paracrine pathway in the DG induces proliferation of neural stem cells and temporarily increases spatial working memory ability. IN immature neurons; NSC neural stem cells.

(7) 다양한 종류의 세포에서 optoFAS에 의한 민감하고 특이적인 세포사멸 유도 (도 7)(7) Sensitive and specific induction of apoptosis by optoFAS in various types of cells (Figure 7)

(A) LED 조명에 의해 증가하는 광 강도에 노출된 optoFAS 형질감염 HeLa 세포의 세포사멸을 보여주는 대표적인 공초점 이미지. 스케일 바, 50μm. (B) 세포 계수 키트를 사용하여 평가된 세포사멸의 정량화. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시된다. n = 웰당 1x104 세포. 그룹 당 3 개의 웰. 일원 분산 분석을 통계 분석에 사용. ** P <0.01; * P <0.05; *** P <0.001; **** P <0.0001. (C) 시간의 경과에 따른 필드의 중심 자극에 대한 대표적인 공초점 이미지로, optoFAS를 형질감염한 HeLa 세포에서 세포사멸의 선택적 유도를 보여준다. 스케일 바, 50μm. (D) 자극된 영역 및 자극되어 있지 않은 영역의 세포사멸 유도의 정량화. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시된다. n = 5 개의 무작위로 선택된 이미지 필드. n≥20 셀이 필드마다 포함되어 있다. unpaired two-tailed t-test을 통계 분석에 사용. **** P <0.0001. (E) Lyn-mCherry을 형질감염한 세포와 공동 배양하고, 광자극한 optoFAS 형질감염 HeLa 세포의 선택적 세포사멸에 대한 대표적인 공초점 이미지. 스케일 바, 20μm. (F) (E)에 나타낸 데이터의 정량화. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시된다. 각 그룹에서 4 개의 이미징 필드가 무작위로 선택되었다. n≥20 셀이 필드마다 포함되어 있다. unpaired two-tailed t-test을 통계 분석에 사용. **** P <0.0001. (G) 광 자극에 의해 optoFAS을 형질감염한 배양 랫트 (rat) 해마 뉴런(hippocampal neurons, HcNs) 및 피질 성상세포에서 유도되는 세포사멸. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시된다. n≥20 셀 / 실험군 (점으로 표시). 일원 분산 분석을 통계 분석에 사용. **** P <0.0001; ns 유의하지 않음. (H) 증가하는 광 강도에 노출된 DIV7 optoFAS 형질감염된 배양 해마 뉴런에서 유도된 세포사멸. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시된다. n≥20 셀 / 실험군 (점으로 표시). 일원 분산 분석을 통계 분석에 사용. ns 유의하지 않음. (I) 증가하는 광 강도에 노출된 optoFAS 형질감염된 배양 성상세포에서 유도된 세포사멸. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시된다. n≥20 셀 / 실험군 (점으로 표시된다). 일원 분산 분석을 통계 분석에 사용. ns 유의하지 않음. (J) 광 자극에 노출된 optoFAS 형질감염 배양 희소 돌기 아교 세포 (oligodendrocyte), 암조건에서 인큐베이션된 optoFAS 형질감염 희소 돌기 아교 세포, 광 자극에 노출된 GFP 형질감염 희소 돌기 아교 세포 및 수용성 Fas 리간드 (100ng / ml)로 처리된 GFP 형질감염 희소 돌기 아교 세포에서 세포 계수 키트 분석에 의해 확인된 유도 세포사멸 수준. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시된다. n = 웰 당 1x 104 셀 그룹당 n≥7 웰. 일원 분산 분석을 통계 분석에 사용. **** P <0.0001; ns 유의하지 않음. * P <0.05. (K) 배양 랫트 해마 뉴런, 피질 성상세포 및 희소 돌기 아교 세포에서 c-FLIP의 mRNA 수준을 나타내는 qRT-PCR 결과. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시된다. 그룹당 n≥3. 일원 분산 분석을 통계 분석에 사용. ** P <0.01; *** P <0.001.(A) Representative confocal images showing apoptosis of optoFAS-transfected HeLa cells exposed to increasing light intensity by LED illumination. Scale bar, 50 μm. (B) Quantification of apoptosis assessed using a cell counting kit. Data are expressed as mean ± SEM. n = 1x104 cells per well. 3 wells per group. One-way analysis of variance was used for statistical analysis. **P<0.01;*P<0.05;***P<0.001;****P<0.0001. (C) Representative confocal images of stimulation of the center of the field over time, showing selective induction of apoptosis in HeLa cells transfected with optoFAS. Scale bar, 50 μm. (D) Quantification of apoptosis induction in stimulated and non-stimulated areas. Data are expressed as mean ± SEM. n = 5 randomly selected image fields. n≥20 cells are included in each field. Unpaired two-tailed t-test was used for statistical analysis. ****P<0.0001. (E) Representative confocal images of selective apoptosis of optoFAS-transfected HeLa cells co-cultured with Lyn-mCherry-transfected cells and photostimulated. Scale bar, 20 μm. (F) Quantification of data shown in (E). Data are expressed as mean ± SEM. Four imaging fields were randomly selected in each group. n≥20 cells are included in each field. Unpaired two-tailed t-test was used for statistical analysis. ****P<0.0001. (G) Cell death induced in cultured rat hippocampal neurons (HcNs) and cortical astrocytes transfected with optoFAS by light stimulation. Data are expressed as mean ± SEM. n≥20 cells/experimental group (indicated by dots). One-way analysis of variance was used for statistical analysis. ****P<0.0001; ns not significant. (H) Apoptosis induced in DIV7 optoFAS transfected cultured hippocampal neurons exposed to increasing light intensity. Data are expressed as mean ± SEM. n≥20 cells/experimental group (indicated by dots). One-way analysis of variance was used for statistical analysis. ns not significant. (I) Apoptosis induced in optoFAS-transfected cultured astrocytes exposed to increasing light intensity. Data are expressed as mean ± SEM. n≥20 cells/experimental group (indicated by dots). One-way analysis of variance was used for statistical analysis. ns not significant. (J) optoFAS transfected cultured oligodendrocytes exposed to light stimulation, optoFAS transfected oligodendrocytes incubated in dark conditions, GFP transfected oligodendrocytes exposed to light stimulation, and soluble Fas ligand ( Levels of induced apoptosis confirmed by cell counting kit analysis in GFP-transfected oligodendrocytes treated with 100 ng/ml). Data are expressed as mean ± SEM. n = 1x 10 cells per well, n≥7 wells per group. One-way analysis of variance was used for statistical analysis. ****P<0.0001; ns not significant. *P<0.05. (K) qRT-PCR results showing mRNA levels of c-FLIP in cultured rat hippocampal neurons, cortical astrocytes, and oligodendrocytes. Data are expressed as mean ± SEM. n≥3 per group. One-way analysis of variance was used for statistical analysis. **P<0.01;***P<0.001.

(8) 치아 이랑에서 네스틴 프로모터 (nestin promoter)의 시간 의존성 발현 (도 8)(8) Time-dependent expression of the nestin promoter in the dentate gyrus (Figure 8)

(A) 바이러스 주사 및 발현 분석의 개략도 및 타임 라인. (B) 7,14,21 및 28일에 Lenti-Nestin-GFP 발현의 대표적인 이미지 (왼쪽) 및 GFP와 DCX의 공동 면역조직화학적 염색 이미지 (오른쪽). 스케일 바, 100μm. (C) (B)에서 GFP + 세포와 DCX + 세포의 공동 국소화에 대한 정량화. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시된다. n = 그룹당 3 마리의 마우스. 각 마우스의 뇌에서 200μm씩 떨어진 4 개의 슬라이스를 선택했다. 일원 분산 분석을 통계 분석에 사용. **** P <0.0001.(A) Schematic diagram and timeline of virus injection and expression analysis. (B) Representative images of Lenti-Nestin-GFP expression (left) and co-immunohistochemical staining images of GFP and DCX (right) at days 7, 14, 21, and 28. Scale bar, 100 μm. (C) Quantification of co-localization of GFP + cells and DCX + cells in (B). Data are expressed as mean ± SEM. n = 3 mice per group. Four slices 200 μm apart were selected from the brain of each mouse. One-way analysis of variance was used for statistical analysis. ****P<0.0001.

(9) OptoFAS은 mTORC1의 활성화를 특이적으로 유도한다 (도 9)(9) OptoFAS specifically induces the activation of mTORC1 (Figure 9)

(A) 광 지속 시간이 증가함에 따라 optoFAS 형질도입된 치아 이랑에서 pS6 S240/244 면역조직화학적 염색에 의해 확인된 pS6 수준의 대표적인 이미지. 삽입 도 은 대표적인 초점을 보여준다. 스케일 바, 100μm (삽입, 50μm). (B) pS6 S235/236 및 pS6S240/244 항체를 이용한 면역염색에 의해 확인된 pS6 양성 세포의 수 비교. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시된다. n≥4 마리의 마우스가 pS6S235 / 236의 각 조건에 포함되어 있었다. n = 3 마리의 마우스가 pS6 S240 / 244의 각 조건에 포함되어 있었다. 대응이없는 양측 t 검정을 통계 분석에 사용했다. ns 유의하지 않음.(A) Representative images of pS6 levels confirmed by pS6 S240/244 immunohistochemical staining in the optoFAS transduced dentate gyrus with increasing light duration. The inset shows representative foci. Scale bar, 100 μm (inset, 50 μm). (B) Comparison of the number of pS6 positive cells confirmed by immunostaining using pS6 S235/236 and pS6S240/244 antibodies. Data are expressed as mean ± SEM. n≥4 mice were included in each condition of pS6S235/236. n = 3 mice were included in each condition on pS6 S240/244. Unpaired two-tailed t test was used for statistical analysis. ns not significant.

(10) 다른 모드의 자극은 Fas 신호 전달 네트워크에 다른 반응을 유도한다 (도 10)(10) Different modes of stimulation induce different responses in the Fas signaling network (Figure 10)

(A) 0.5 시간의 광 자극 후 3.5 시간의 암 조건 인큐베이션 (상단) 및 0.25 시간의 광 자극 후 3.75 시간의 암 조건 인큐베이션 (하단)에 반응하여, pErk (왼쪽), pS6 (중앙) 및 optoFAS 발현 (오른쪽)에 대한 대표적인 이미지. 스케일 바, 100μm. (B) (A)에서 pErk 양성 세포의 정량화. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시. n 그룹 당 5 마리 이상 마우스. 일원 분산 분석을 통계 분석에 사용. * P <0.05; **** P <0.0001. (C) (A)에서 pS6 양성 세포의 정량화. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시. n 그룹 당 5 마리 이상 마우스. 일원 분산 분석을 통계 분석에 사용. ** P <0.01; **** P <0.0001. (D) 12 시간의 암 조건 인큐베이션 후 단일 또는 반복 자극에 반응한 pErk (왼쪽) 및 pS6 (오른쪽)의 대표적인 이미지. 삽입 도 은 대표적인 초점을 보여준다. 스케일 바, 100μm (삽입, 50μm). (E) (D)에서 pErk 양성 세포의 정량화. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시. n = 그룹당 3 마리의 마우스. 일원 분산 분석을 통계 분석에 사용. *** P <0.001; **** P <0.0001. (F) (D) pS6 양성 세포의 정량화. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시. n = 그룹당 3 마리의 마우스. 일원 분산 분석을 통계 분석에 사용. ns 유의하지 않음.(A) pErk (left), pS6 (center), and optoFAS expression in response to 0.5 h of light stimulation followed by 3.5 h of dark condition incubation (top) and 0.25 h of light stimulation followed by 3.75 h of dark condition incubation (bottom). Representative image for (right). Scale bar, 100 μm. (B) Quantification of pErk-positive cells in (A). Data expressed as mean ± SEM. n more than 5 mice per group. One-way analysis of variance was used for statistical analysis. *P<0.05; ****P<0.0001. (C) Quantification of pS6-positive cells in (A). Data expressed as mean ± SEM. n more than 5 mice per group. One-way analysis of variance was used for statistical analysis. **P<0.01; ****P<0.0001. (D) Representative images of pErk (left) and pS6 (right) in response to single or repeated stimulation after 12 h of incubation in dark conditions. The inset shows representative foci. Scale bar, 100 μm (inset, 50 μm). (E) Quantification of pErk-positive cells in (D). Data expressed as mean ± SEM. n = 3 mice per group. One-way analysis of variance was used for statistical analysis. ***P<0.001; ****P<0.0001. (F) (D) Quantification of pS6 positive cells. Data expressed as mean ± SEM. n = 3 mice per group. One-way analysis of variance was used for statistical analysis. ns not significant.

(11) 인간의 질병 샘플 및 동물 모델에서 Fas, AKT-mTOR 및 ERK 경로의 활성화 (도 11a 내지 도 11c)(11) Activation of Fas, AKT-mTOR and ERK pathways in human disease samples and animal models (FIGS. 11A to 11C)

(A) 경증 알츠하이머 환자군과 건강한 대조군 (GSE84422)에서 유래한 Fas 경로 (M9503) 유전자 시그니쳐. (B) 경증 알츠하이머 환자군 및 중증의 알츠하이머군 (GSE84422)에서 유래한 Fas 경로 (M9503) 유전자 시그니쳐. (C) 중증의 알츠하이머 환자군과 건강한 대조군 (GSE84422)에서 유래 Fas 경로 (M9503) 유전자 시그니쳐. (D) 경증 알츠하이머 환자군과 건강한 대조군 (GSE84422)에서 유래한 AKT1_SIGNALING_VIA_MTOR-업레귤레이션된 (M15377) 유전자 시그니쳐. (E) 경증 알츠하이머 환자군과 중증 알츠하이머 환자군 (GSE84422)에서 유래한 AKT1_SIGNALING_VIA_MTOR-업레귤레이션된 (M15377) 유전자 시그니쳐. (F) 중증의 알츠하이머 환자군과 건강한 대조군 (GSE84422)에서 유래한 AKT1_SIGNALING_VIA_MTOR (M15377) 유전자 시그니쳐. (G) 경증 알츠하이머 환자군과 건강한 대조군 (GSE84422)에서 유래한 MAPK 업레귤레이션된 (M13863) 유전자 시그니쳐. (H) 경증 알츠하이머 군과 중증의 알츠하이머 군 (GSE84422)에서 유래한 MAPK 업레귤레이션된 (M13863) 유전자 시그니쳐. (I) 중증의 알츠하이머 환자군과 건강한 대조군 (GSE84422)에서 유래 MAPK 경로 (M13863) 유전자 시그니쳐. (J) 야생형 마우스 뇌 (왼쪽), lipopolysaccharide (LPS)를 뇌실내 주입한 마우스 뇌 (중앙) 및 5XFAD 마우스 뇌 (오른쪽)의 Fas 면역조직화학적 염색을 보여주는 대표적인 이미지. (K) pErk 및 DCX에 대해 공동염색된 LPS (위) 및 일반 식염수 (NS 아래) 주사 마우스에서 얻은 대표적인 조직학적 이미지. 삽입 도 은 박스로 둘러싸인 영역의 확대도를 보여준다. 스케일 바, 100μm (삽입, 50μm). (L) pErk 및 SOX2에 대해 공동염색된 5XFAD (위) 및 야생형 (WT 아래) 마우스의 대표적인 조직학적 이미지. 삽입 도 은 박스로 둘러싸인 영역의 확대도를 보여준다. 스케일 바, 100μm (삽입, 50μm). (M) (K)에 나타낸 데이터의 정량화. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시된다. n = 그룹당 5 마리의 마우스, 마우스 당 4 개의 섹션이 무작위로 선택되었다. unpaired two-tailed t-test을 통계 분석에 사용했다. * P <0.05. (N) (L)에 나타낸 데이터의 정량화. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시된다. n = 그룹당 4 마리의 마우스, 마우스 당 4 개의 섹션이 무작위로 선택되었다. unpaired two-tailed t-test을 통계 분석에 사용했다. ** P <0.01.(A) Fas pathway (M9503) gene signature derived from mild Alzheimer's patient group and healthy control group (GSE84422). (B) Fas pathway (M9503) gene signature derived from a mild Alzheimer's patient group and a severe Alzheimer's group (GSE84422). (C) Fas pathway (M9503) gene signature from severe Alzheimer's patient group and healthy control group (GSE84422). (D) AKT1_SIGNALING_VIA_MTOR-upregulated (M15377) gene signature from mild Alzheimer's patient group and healthy control group (GSE84422). (E) AKT1_SIGNALING_VIA_MTOR-upregulated (M15377) gene signature derived from mild and severe Alzheimer's patient group (GSE84422). (F) AKT1_SIGNALING_VIA_MTOR (M15377) gene signature derived from a group of severe Alzheimer's patients and a healthy control group (GSE84422). (G) MAPK upregulated (M13863) gene signature from mild Alzheimer's patient group and healthy control group (GSE84422). (H) MAPK upregulated (M13863) gene signature from mild and severe Alzheimer's group (GSE84422). (I) MAPK pathway (M13863) gene signature from severe Alzheimer's patient group and healthy control group (GSE84422). (J) Representative images showing Fas immunohistochemical staining of wild-type mouse brain (left), mouse brain injected intracerebroventricularly with lipopolysaccharide (LPS) (center), and 5XFAD mouse brain (right). (K) Representative histological images from LPS (top) and normal saline (NS bottom) injected mice co-stained for pErk and DCX. The inset shows an enlarged view of the boxed area. Scale bar, 100 μm (inset, 50 μm). (L) Representative histological images of 5XFAD (top) and wild-type (WT bottom) mice costained for pErk and SOX2. The inset shows an enlarged view of the boxed area. Scale bar, 100 μm (inset, 50 μm). (M) Quantification of data shown in (K). Data are expressed as mean ± SEM. n = 5 mice per group, 4 sections per mouse were randomly selected. An unpaired two-tailed t-test was used for statistical analysis. *P<0.05. (N) Quantification of data shown in (L). Data are expressed as mean ± SEM. n = 4 mice per group, 4 sections per mouse were randomly selected. An unpaired two-tailed t-test was used for statistical analysis. **P<0.01.

(12) In vitro에서 분화 뉴런에 대한 면역세포화학적 마커 발현 (도 12)(12) Expression of immunocytochemical markers for differentiated neurons in vitro (Figure 12)

(A) DIV1 (1열), DIV7 (2열) 및 DIV14 (3열) 배양된 해마 뉴런에서 SOX2 (왼쪽 컬럼), DCX (중앙 컬럼) 및 calretinin (오른쪽 컬럼)의 면역세포화학적 염색의 대표적인 공초점 이미지. 스케일 바, 50μm. (B) 연구된 뉴런에서 SOX2 (적색), DCX (파랑) 및 calretinin (녹색) 강도의 정량화. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시. n = 각 그룹에 4 개의 웰 (모든 웰에 20개 이상의 세포가 포함). 일원 분산 분석을 통계 분석에 사용. **** P <0.0001; * P <0.05.(A) Representative blanks of immunocytochemical staining of SOX2 (left column), DCX (center column), and calretinin (right column) in cultured hippocampal neurons at DIV1 (column 1), DIV7 (column 2), and DIV14 (column 3). Focus image. Scale bar, 50 μm. (B) Quantification of SOX2 (red), DCX (blue) and calretinin (green) intensities in the studied neurons. Data expressed as mean ± SEM. n = 4 wells in each group (all wells contain at least 20 cells). One-way analysis of variance was used for statistical analysis. ****P<0.0001; *P<0.05.

(13) Fas의 활성화에 의해 영향을 받는 것으로 알려져 있는 유전자의 qRT-PCR 결과 (도 13)(13) qRT-PCR results of genes known to be affected by Fas activation (Figure 13)

(A) 배양 해마 뉴런에 대한 바이러스 형질도입과 광 자극의 개략도 및 타임 라인. (B, C) 광 자극에 노출된 optoFAS 형질도입 뉴런, 광 자극에 노출된 GFP 형질도입 뉴런 및 수용성 Fas 리간드로 처리된 GFP 형질도입 뉴런의 NeuroD (B) 및 Hes5 (C)에 대한 qRT-PCR 결과. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시. n = 그룹당 3. 일원 분산 분석을 통계 분석에 사용. ns 유의하지 않음. ** P <0.01; *** P <0.001; **** P <0.0001.(A) Schematic diagram and timeline of viral transduction and light stimulation of cultured hippocampal neurons. (B, C) qRT-PCR for NeuroD (B) and Hes5 (C) in optoFAS transduced neurons exposed to light stimulation, GFP transduced neurons exposed to light stimulation, and GFP transduced neurons treated with soluble Fas ligand. result. Data expressed as mean ± SEM. n = 3 per group. One-way analysis of variance was used for statistical analysis. ns not significant. **P<0.01; ***P<0.001; ****P<0.0001.

(14) 저해제 처리에 의한 치아 이랑의 Fas 신호 전달 네트워크의 차단 (도 14)(14) Blockade of the Fas signaling network in the dentate gyrus by inhibitor treatment (Figure 14)

(A) mTOR 신호 전달 경로의 차단을 위해 바이러스 형질도입, 라파마이신 처리 및 배양 해마 뉴런의 광 자극 개략도 및 타임 라인. (B) 광에 노출된 라파마이신 처리 및 optoFAS 형질도입 뉴런, 암 조건에서 인큐베이션된 optoFAS 형질도입 뉴런 및 수용성 Fas 리간드로 처리된 GFP 형질도입 뉴런에서 pS6에 대한 대표적인 면역세포화학 염색 이미지. 스케일 바, 50μm. (C) (B)에 나타낸 데이터의 정량화. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시. n≥91 셀/그룹. 일원 분산 분석을 통계 분석에 사용. ns 유의하지 않음. ** P <0.01; **** P <0.0001. (D) optoFAS로 형질도입된 마우스 치아 이랑에서 BDNF / TrkB의 차단 실험의 타임 라인. (E) ANA-12으로 처리되어 광 자극에 노출된 optoFAS로 형질도입된 치아 이랑의 pErk 수준의 대표적인 이미지. 스케일 바, 100μm. (F) (E)에서의 pErk 양성 세포 정량화. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시. n = 5 마리의 마우스, 마우스 당 4 개의 섹션을 무작위로 선택. unpaired two-tailed t-test을 통계 분석에 사용했다. * P <0.05(A) Schematic diagram and timeline of viral transduction, rapamycin treatment, and light stimulation of cultured hippocampal neurons for blockade of the mTOR signaling pathway. (B) Representative immunocytochemical staining images for pS6 in rapamycin-treated and optoFAS-transduced neurons exposed to light, optoFAS-transduced neurons incubated in dark conditions, and GFP-transduced neurons treated with soluble Fas ligand. Scale bar, 50 μm. (C) Quantification of data shown in (B). Data expressed as mean ± SEM. n≥91 cells/group. One-way analysis of variance was used for statistical analysis. ns not significant. **P<0.01; ****P<0.0001. (D) Timeline of a blocking experiment of BDNF/TrkB in the mouse dentate gyrus transduced with optoFAS. (E) Representative images of pErk levels in optoFAS-transduced dentate gyrus treated with ANA-12 and exposed to light stimulation. Scale bar, 100 μm. (F) Quantification of pErk-positive cells in (E). Data expressed as mean ± SEM. n = 5 mice, 4 sections per mouse randomly selected. An unpaired two-tailed t-test was used for statistical analysis. *P<0.05

(15) 미성숙 뉴런과 신경 줄기세포 사이의 mTOR-BDNF-ERK 축 in vitro 확인 (도 15)(15) In vitro confirmation of the mTOR-BDNF-ERK axis between immature neurons and neural stem cells (Figure 15)

(A) 라파마이신의 존재 및 부재 조건에서 BDNF에 반응한 DIV1-2 뉴런 중 ERK-KTR 센서의 신호 변화를 보여주는 대표적인 이미지. 스케일 바, 20μm. (B) (A) 조건에서 ERK-KTR 센서의 정규화된 세포질 대 핵의 비율 정량화. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시. n = 각 그룹에서 18,18,23 및 20 세포. unpaired two-tailed t-test을 통계 분석에 사용. **** P <0.0001. (C) Fas 자극된 DIV7 뉴런에서 농축된 상등액에 반응한 DIV1-2 뉴런 중 ERK-KTR 센서의 신호 변화를 보여주는 대표적인 이미지. 스케일 바, 20μm. (D) (C)에 나타낸 데이터의 정량화. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시. n = 그룹당 10 세포. unpaired two-tailed t-test을 통계 분석에 사용. **** P <0.0001. (E) 라파마이신의 존재 및 부재 조건에서 사전 인큐베이션된 Fas 자극 DIV7 뉴런으로부터 농축된 상등액에 반응한 DIV1-2 신경 ERK-KTR 센서의 신호 변화 및 이후 외인성 BDNF 처리에 의한 신호 변화를 보여주는 대표적인 이미지. 스케일 바, 20μm. (F) (E)에 나타낸 데이터의 정량화. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시. 각 그룹의 n = 7,8,7 및 7 세포.(A) Representative images showing signal changes from the ERK-KTR sensor among DIV1-2 neurons in response to BDNF in the presence and absence of rapamycin. Scale bar, 20 μm. (B) Quantification of the normalized cytoplasmic to nuclear ratio of the ERK-KTR sensor under conditions (A). Data expressed as mean ± SEM. n = 18,18,23 and 20 cells in each group. Unpaired two-tailed t-test was used for statistical analysis. ****P<0.0001. (C) Representative images showing signal changes from the ERK-KTR sensor among DIV1-2 neurons in response to supernatants concentrated from Fas-stimulated DIV7 neurons. Scale bar, 20 μm. (D) Quantification of data shown in (C). Data expressed as mean ± SEM. n = 10 cells per group. Unpaired two-tailed t-test was used for statistical analysis. ****P<0.0001. (E) Representative images showing signal changes in the DIV1-2 neuronal ERK-KTR sensor in response to concentrated supernatants from Fas-stimulated DIV7 neurons preincubated in the presence and absence of rapamycin and subsequent exogenous BDNF treatment. Scale bar, 20 μm. (F) Quantification of data shown in (E). Data expressed as mean ± SEM. n = 7,8,7 and 7 cells in each group.

(16) 오픈 필드 테스트에 의한 이동 운동 기능과 불안 지수 분석 (도 16)(16) Analysis of locomotor function and anxiety index by open field test (Figure 16)

(A-D) 단일 또는 반복적 광 자극에 노출된 optoFAS 또는 GFP로 형질도입된 마우스에서 자극 1일후의 총 이동 거리 (A), 평균 속도 (B) 오픈 필드 챔버의 중앙 영역에서 소요한 시간 (C) 불안 지수 (D) 분석. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시. n = 그룹당 5-6. 일원 분산 분석을 통계 분석에 사용. ns 유의하지 않음. (E-H) 단일 또는 반복적 광 자극에 노출된 optoFAS 또는 GFP로 형질도입된 마우스에서 자극 1주 후 총 이동 거리 (E), 평균 속도 (F) 오픈 필드 챔버의 중앙 영역에서 소요한 시간 (G) 및 불안 지수 (H) 분석. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시. n = 그룹 당 5. 일원 분산 분석통계 분석에 사용. ns 유의하지 않음. (I-L) 단일 또는 반복적 광 자극에 노출된 optoFAS 또는 GFP로 형질도입된 마우스에서 자극 2주 후 총 이동 거리 (I), 평균 속도 (J) 오픈 필드 챔버의 중앙 영역에서 소요한 시간 (K) 및 불안 지수 (L) 분석. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시. n = 그룹 당 5. 일원 분산 분석을 통계 분석에 사용. ns는 유의하지 않음. (M-P) 단일 또는 반복적 광 자극에 노출된 optoFAS 또는 GFP로 형질도입된 마우스에서 자극 4주 후 총 이동 거리 (M), 평균 속도 (N), 오픈 필드 챔버의 중앙 영역에서 소요한 시간 (O) 및 불안 지수 (P) 분석. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시. n = 그룹 당 5. 일원 분산 분석을 통계 분석에 사용. ns 유의하지 않음. (Q-T) 라파마이신으로 처리되어 반복 광 자극에 노출된 optoFAS 형질도입 마우스에서 자극 1 일 후 총 이동 거리 (Q), 평균 속도 (R), 오픈 필드 챔버의 중앙 영역에서 소요한 시간 (S) 및 불안 지수 (T) 분석. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시. n = 그룹당 5-6. 일원 분산 분석을 통계 분석에 사용. ns는 유의하지 않음. (U-X) ANA-12로 처리되어 반복 광 자극에 노출된 optoFAS 형질도입 마우스의 총 이동 거리 (U), 평균 속도 (V), 오픈 필드 챔버의 중앙 영역에서 소요한 시간 (W) 및 불안 지수 (X) 분석. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시. n = 그룹당 5 마리의 마우스. 일원 분산 분석을 통계 분석에 사용. ns 유의하지 않음.(A-D) Total distance traveled (A), average speed (B), and time spent in the central area of the open field chamber (C) anxiety 1 day after stimulation in mice transduced with optoFAS or GFP exposed to single or repetitive light stimulation. Exponential (D) analysis. Data expressed as mean ± SEM. n = 5-6 per group. One-way analysis of variance was used for statistical analysis. ns not significant. (E-H) Total distance moved (E), average speed (F), time spent in the central region of the open field chamber (G), and 1 week after stimulation in mice transduced with optoFAS or GFP exposed to single or repetitive light stimulation. Anxiety Index (H) Analysis. Data expressed as mean ± SEM. n = 5 per group. One-way ANOVA used for statistical analysis. ns not significant. (I-L) Total distance traveled (I), average speed (J), time spent in the central region of the open field chamber (K), and 2 weeks after stimulation in mice transduced with optoFAS or GFP exposed to single or repetitive light stimulation. Anxiety Index (L) Analysis. Data expressed as mean ± SEM. n = 5 per group. One-way analysis of variance was used for statistical analysis. ns is not significant. (M-P) Total distance traveled (M), average speed (N), and time spent in the central area of the open field chamber (O) 4 weeks after stimulation in mice transduced with optoFAS or GFP exposed to single or repetitive light stimulation. and anxiety quotient (P) analysis. Data expressed as mean ± SEM. n = 5 per group. One-way analysis of variance was used for statistical analysis. ns not significant. (Q-T) Total distance traveled (Q), average speed (R), time spent in the central area of the open field chamber (S), and 1 day after stimulation in optoFAS transgenic mice treated with rapamycin and exposed to repetitive light stimulation. Anxiety quotient (T) analysis. Data expressed as mean ± SEM. n = 5-6 per group. One-way analysis of variance was used for statistical analysis. ns is not significant. (U-X) Total distance traveled (U), average velocity (V), time spent in the central area of the open field chamber (W), and anxiety index ( X) Analysis. Data expressed as mean ± SEM. n = 5 mice per group. One-way analysis of variance was used for statistical analysis. ns not significant.

3. 결과3. Results

(1) 광유전학적으로 활성화 가능한 Fas 수용체(1) Optogenetically activatable Fas receptor

막 고정 서열 (lyn), Fas의 세포질 도메인 (cyFAS), 크립토크롬 2의 PHR 도메인 (CRY2PHR) 및 EGFP을 포함하는 광유전학적으로 활성화 가능한 Fas 모듈 (optoFAS)을 개발하였다 (도 1A). 청색광 (파장 488 nm)에 반응하여 호모올리고머화하는 CRY2PHR을 사용하여 수용체를 활성화할 수 있다. HeLa 세포에 형질감염되면, optoFAS는 광에 반응하여 세포사멸을 유도하였다 (도 1B). CRY2PHR 결핍 모듈 (Lyn-cyFAS-EGFP)의 형질감염에 의해서는 세포사멸될 수 없으며, optoFAS의 활성화가 CRY2PHR의 올리고머화 특성에 의존하는 것을 의미한다. 또한 optoFAS가 높은 감도와 특이성으로 기능하는 것도 확인했다 (도 7A-F). 유도된 세포사멸 수준은 종래의 화학적 유도 시스템 또는 수용성 Fas 리간드 (100 ng/ml) 또는 시스플라틴 (10μg/ml, 도 1C) 처리를 통해 얻은 것보다 우수했다. 또한, 광 조사시 FPX (fluorescent protein exchange) 바이오 센서를 이용한 실시간 이미징을 통해 하류 카스파제의 활성화를 시각화할 수 있었다 (도 1D-G).We developed an optogenetically activatable Fas module (optoFAS) containing a membrane anchoring sequence (lyn), the cytoplasmic domain of Fas (cyFAS), the PHR domain of cryptochrome 2 (CRY2PHR), and EGFP (Figure 1A). The receptor can be activated using CRY2PHR, which homooligomerizes in response to blue light (wavelength 488 nm). When transfected into HeLa cells, optoFAS induced apoptosis in response to light (Figure 1B). Cell death cannot be induced by transfection of a CRY2PHR-deficient module (Lyn-cyFAS-EGFP), indicating that activation of optoFAS depends on the oligomerization properties of CRY2PHR. We also confirmed that optoFAS functions with high sensitivity and specificity (Figure 7A-F). The level of apoptosis induced was superior to that obtained through conventional chemical induction systems or treatment with soluble Fas ligand (100 ng/ml) or cisplatin (10 μg/ml, Figure 1C). Additionally, upon light irradiation, the activation of downstream caspases could be visualized through real-time imaging using a fluorescent protein exchange (FPX) biosensor (Figure 1D-G).

뉴런과 성상세포는 Fas 유도 세포사멸 경로의 다양한 단계에서 억제 분자를 발현시켜 세포사멸에 저항하는 것으로 알려져 있다. 이러한 분자 중 하나가 c-FLIP이고, 그 기능은 활성화된 Fas 수용체 복합체가 후속 카스파제 활성을 차단하기 위한 미끼 분자이다. 우리는 DIV (days in vitro) 7 뉴런 및 성상세포가 Fas 활성화시 세포사멸을 일으키지 않고, 예상대로 높은 수준의 c-FLIP 발현을 보여 주는 것을 확인했다 (도 7G, H, I, K). 대신, 광 자극은 optoFAS 형질감염된 배양 해마 뉴런에서 비세포사멸 신호 전달 성분의 활성화를 유도하였다. JNK-KTR 센서를 사용하여 광 조사시 optoFAS 형질감염된 DIV 7 뉴런에서 JNK의 활성화를 관찰하였다 (도 1H). AKT-mTOR 경로의 활성화는 pS6 면역세포화학 (immunocytochemical: ICC) 염색으로 확인할 수 있다 (도 1I, J). 한편, 낮은 수준의 c-FLIP 발현을 수반하여 Fas 활성화시, 세포사멸에 취약한 희소 돌기 아교 세포는 optoFas 활성화에 따라 감소된 세포 생존율을 나타내었다 (도 7J, K). 종합하면, 이러한 결과는 신규 개발된 optoFAS가 적절한 세포 유형에서 세포사멸과 비세포사멸의 신호를 유도할 수 있고, 따라서 생리적 작용 기전을 반영하고 있음을 보여준다.Neurons and astrocytes are known to resist apoptosis by expressing inhibitory molecules at various stages of the Fas-induced apoptosis pathway. One such molecule is c-FLIP, whose function is a decoy molecule for activated Fas receptor complexes to block subsequent caspase activity. We confirmed that 7 days in vitro (DIV) neurons and astrocytes did not undergo apoptosis upon Fas activation and showed high levels of c-FLIP expression, as expected (Figure 7G, H, I, K). Instead, light stimulation induced activation of non-apoptotic signaling components in optoFAS-transfected cultured hippocampal neurons. Activation of JNK was observed in optoFAS-transfected DIV 7 neurons upon light irradiation using the JNK-KTR sensor (Figure 1H). Activation of the AKT-mTOR pathway can be confirmed by pS6 immunocytochemical (ICC) staining (Figure 1I, J). On the other hand, oligodendrocytes, which are susceptible to apoptosis upon Fas activation with low levels of c-FLIP expression, showed reduced cell survival upon optoFas activation (Fig. 7J,K). Taken together, these results show that the newly developed optoFAS can induce apoptotic and non-apoptotic signals in appropriate cell types and thus reflect a physiological mechanism of action.

(2) 광유전학적 활성화에 의해 확인된 치아 이랑의 동적 Fas 신호 전달 네트워크(2) Dynamic Fas signaling network in the dentate gyrus identified by optogenetic activation.

인지와 기억 관련하여, 뇌에서 Fas 신호 전달의 역학을 조사하기 위해 8 주령의 마우스 해마 치아 이랑 (DG)에 AAV(adeno-associated virus vector)를 주입했다. Nestin-Cre 벡터와 hSyn-DIO 벡터를 혼합하여 주사 후 약 3주 후에 DG의 미성숙 뉴런의 발현을 타겟할 수 있었다 (도 2A, B, 도 8A-C). optoFAS 형질주입 영역에 대한 광 자극은 하류의 신호 구성에 대하여 다양한 활성화 모드를 유도하기 위해 사용할 수 있다. Akt-mTOR의 하류 신호 구성인 pS6는 광 조사 직후, 특히 0.5 시간에 유도되었으나 (도 2C, D), pErk는 나중에 활성화되고, 조사 4 시간 후 최대 레벨을 볼 수 있다 (도 2C, E). pS6 양성 세포가 pS6S240/S244 및 pS6S235/236의 면역조직화학적 (IHC) 염색에 의해 확인된 것을 고려하면, optoFAS 활성화에 의한 mTORC1의 특이적 유도를 제안할 수 있다 (도 9A, B). pS6 양성 세포는 GFP를 발현하고 optoFAS로 형질도입된 미성숙 뉴런임을 의미한다 (도 2F, G). 그러나, 하위 과립 영역 (subgranular zone: SGZ)에서 관찰된 pErk 양성 세포는 optoFAS가 결여되었다 (도 2H, I). SOX2 및 DCX (doublecortin)의 IHC 염색을 통해 SGZ의 pErk 양성 세포가 신경 줄기세포 또는 전구 세포의 발생 단계에 있는 것으로 밝혀졌다 (도 2J, K). 0.5 시간 광 조건 후 3.5 시간의 암조건에서는 4 시간의 자극 후에 볼 수 있는 수준에 필적하는 수준으로 pErk을 유도하지 않았다. 이것은 SGZ에서 최대 pErk 수준을 유도하기 위해 지속적인 4 시간의 자극이 필요하다는 것을 의미한다 (도 10A, B). 0.5 시간 광 조건 후 3.5 시간의 암조건에서 마우스의 유지는 pS6 수준의 저하를 초래, pS6 수준이 0.5 시간에서 최대 활성화 후 감소하는 것을 제시한다. 0.25 시간의 광 자극은 0.5 시간의 광 자극 후에 볼 수 있는 수준에 필적하는 수준까지 pS6을 유도하지 않았다. 이것은 mTOR 경로를 최대한 활성화하기 위해 적어도 0.5 시간의 자극이 필요하다는 것을 보여준다 (도 10A, C). 광 조사 후 12 시간의 암조건에서 인큐베이션하는 경우 상승된 pS6 및 pErk 수준이 자극되지 않은 샘플 수준까지 떨어졌다. 그러나, 광 자극을 반복하면 (1일 당 4 시간, 3 ~ 5 회), 12 시간의 암조건에서 인큐베이션에도 불구하고, SGZ의 pErk 양성 세포의 수는 일정 수준까지 상승하였으며 (도 10D, E), 미성숙 뉴런에서 Fas의 반복 자극이 신경 줄기세포의 연장된 ERK 활성화를 유도하는 것을 의미한다. 한편, 반복 자극 및 암조건 인큐베이션을 수반하는 경우 pS6 수준은 자극되지 않은 샘플의 수준과 비슷했다 (도 10D, F). optoFAS 형질도입된 마우스에서 mTOR 경로를 차단하는 것을 목적으로 한 라파마이신의 복강 (ip) 주사는 해마 DG의 과립 세포층 (GCL)에서 pS6 및 SGZ에서 pErk을 억제하였다 (도 2L-O). 이러한 결과는 미성숙 뉴런에서 mTOR 경로의 Fas 매개 활성화가 신경 줄기세포 중 pErk 수준의 연속 상승과 관련 있다는 것을 의미한다.To investigate the dynamics of Fas signaling in the brain in relation to cognition and memory, we injected adeno-associated viral vector (AAV) into the hippocampal dentate gyrus (DG) of 8-week-old mice. By mixing the Nestin-Cre vector and the hSyn-DIO vector, we were able to target expression in immature neurons of the DG approximately 3 weeks after injection (Figures 2A, B, Figure 8A-C). Optical stimulation of the optoFAS transfected area can be used to induce various activation modes for downstream signaling constructs. pS6, a downstream signaling component of Akt-mTOR, was induced immediately after light irradiation, specifically at 0.5 h (Fig. 2C, D), but pErk was activated later, with maximum levels seen after 4 h of irradiation (Fig. 2C, E). Considering that pS6-positive cells were identified by immunohistochemical (IHC) staining of pS6S240/S244 and pS6S235/236, specific induction of mTORC1 by optoFAS activation can be suggested (Figures 9A,B). pS6 positive cells express GFP and represent immature neurons transduced with optoFAS (Figure 2F,G). However, pErk-positive cells observed in the subgranular zone (SGZ) lacked optoFAS (Figures 2H,I). IHC staining of SOX2 and DCX (doublecortin) revealed that pErk-positive cells in the SGZ were in the developmental stage of neural stem cells or progenitor cells ( Fig. 2J,K ). The 0.5 hour light condition followed by the 3.5 hour dark condition did not induce pErk to levels comparable to those seen after 4 hours of stimulation. This means that continuous stimulation of 4 h is required to induce maximal pErk levels in the SGZ (Fig. 10A,B). Maintaining mice under 0.5 hour light conditions followed by 3.5 hour dark conditions resulted in a decrease in pS6 levels, suggesting that pS6 levels decreased after peak activation at 0.5 hours. 0.25 hours of light stimulation did not induce pS6 to levels comparable to those seen after 0.5 hours of light stimulation. This shows that at least 0.5 hours of stimulation is required to maximally activate the mTOR pathway (Figure 10A,C). When incubated under dark conditions for 12 hours after light irradiation, the elevated pS6 and pErk levels dropped to the levels of unstimulated samples. However, when light stimulation was repeated (4 hours, 3 to 5 times per day), the number of pErk-positive cells in the SGZ rose to a certain level, despite incubation in the dark for 12 hours (Figure 10D, E). , indicating that repeated stimulation of Fas in immature neurons induces prolonged ERK activation of neural stem cells. Meanwhile, when accompanied by repeated stimulation and dark incubation, pS6 levels were similar to those of unstimulated samples (Figures 10D, F). Intraperitoneal (ip) injection of rapamycin aimed at blocking the mTOR pathway in optoFAS transduced mice inhibited pS6 in the granule cell layer (GCL) of the hippocampal DG and pErk in the SGZ (Figure 2L-O). These results imply that Fas-mediated activation of the mTOR pathway in immature neurons is associated with a subsequent elevation of pErk levels among neural stem cells.

mTOR와 Erk의 활성화 증거는 Fas의 과발현을 나타내는 인간의 질병 샘플과 마우스 모델에서 확인할 수 있다. 공개 데이터베이스 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo)를 사용하여 알츠하이머 환자 (GEO : GSE84422) 해마에 대한 GSEA (gene set enrichment analysis)을 실시했다. 알츠하이머 환자를 경증 (임상 치매 등급, CDR 0.5 및 1) 및 중증 (CDR 3-5)의 증례로 분류하고, FAS-PATHWAY 유전자 시그니쳐 (M9503)를 분석한 결과, 건강한 대조군 및 중증과 비교하여 경증 알츠하이머 증례에서 Fas 발현의 증가가 확인되었다 (도 11a-c). AKT-MTOR이 업레귤레이션된 유전자 시그니쳐는 건강한 대조군 및 중증과 비교하여 경미한 알츠하이머 병의 증례에서 풍부화되었다 (도 11a). 또한, MAPK 업레귤레이션된 시그니쳐는 건강한 대조군 및 중증과 비교하여 경미한 알츠하이머 병의 증례에서 풍부화되었다 (도 11b). Fas 과발현 인간 해마 샘플에서 Akt-mTOR 및 MAPK 경로의 업레귤레이션된 유전자 시그니쳐는 확인된 결과와 일치한다. 또한, SGZ에서 pErk의 활성화는 lipopolysaccharide (LPS)의 뇌실 내 주사에 노출된 마우스의 뇌 및 알츠하이머 모델 (5XFAD) 마우스의 뇌에서 관찰되었고, 높은 수준의 Fas 발현을 보여주었다 (도 11c).Evidence for activation of mTOR and Erk can be found in human disease samples and mouse models showing overexpression of Fas. Gene set enrichment analysis (GSEA) was performed on the hippocampus of Alzheimer's patients (GEO: GSE84422) using a public database (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo). Alzheimer's patients were classified into mild (clinical dementia grade, CDR 0.5 and 1) and severe (CDR 3-5) cases, and analysis of the FAS-PATHWAY gene signature (M9503) showed that mild Alzheimer's cases compared with healthy controls and severe cases. An increase in Fas expression was confirmed in the cases (Figure 11a-c). The gene signature in which AKT-MTOR was upregulated was enriched in cases of mild Alzheimer's disease compared to healthy controls and severe cases (Figure 11A). Additionally, MAPK upregulated signatures were enriched in cases of mild Alzheimer's disease compared to healthy controls and severe cases (Figure 11B). The upregulated gene signatures of Akt-mTOR and MAPK pathways in Fas-overexpressing human hippocampal samples are consistent with the identified results. Additionally, activation of pErk in the SGZ was observed in the brains of mice exposed to intracerebroventricular injection of lipopolysaccharide (LPS) and in the brains of Alzheimer's model (5XFAD) mice, showing high levels of Fas expression (Figure 11c).

(3) Fas 활성화시 미성숙 뉴런에서 BDNF 분비(3) BDNF secretion from immature neurons upon Fas activation

미성숙 뉴런의 mTOR 활성화와 신경 줄기세포의 Erk 활성화 사이에 몇 가지 매개 인자를 확인하기 위해 신경 줄기세포 집단의 조절에 기여하는 것으로 알려져 있는 3개의 후보 분자를 조사하였다. 세포 배양 시스템에서 DIV 7 해마 뉴런은 신경 줄기세포 마커인 SOX2 및 DCX은 급속한 감소를 나타냈지만, 분화중인 미성숙 뉴런에서 발현하는 calretinin은 증가를 나타냈다 (도 12A, B). BDNF (brain-derived neurotrophic factor) mRNA의 발현은 광 조사 후 optoFAS 형질도입된 DIV 6 뉴런에서 점차 증가했다 (도 3A, B). 다른 후보인 IGF-1 (insulin-like growth factor 1)은 꾸준히 증가하고, 또 다른 후보인 IL-6는 감소했다 (도 3C, D). 광 조사에 의한 Fas의 활성화를 확인하기 위해 광 자극에 의한 NeuroD (도 13A, B) 및 Hes5 (도 13C)의 전사 변화를 분석했다. 배양된 세포를 mTOR 경로 억제제인 라파마이신으로 처리하면 pS6 수준 (도 14A-C) 및 BDNF의 mRNA 발현 (도 3E, F) 모두가 억제되었다. 이것은 BDNF 전사가 Fas 네트워크 mTOR 신호 전달의 하류에 있다는 이전의 보고와 일치한다 (21). optoFAS 활성화에 의한 IGF-1의 전사 증가는 라파마이신 처리의 영향을 받지 않았다 (도 3G). optoFAS를 형질도입한 뉴런에 의한 광 조사를 통한 BDNF의 분비는 배양 신경 플레이트에서 상층액을 사용하여 BDNF ELISA를 수행하는 것으로 확인되었다 (도 3H). BDNF / TrkB 억제제인 ANA-12을 optoFAS를 주사한 마우스에 투여하면 광 자극 후 SGZ의 pErk 양성 세포 수가 크게 감소하여, 미성숙 뉴런에서 BDNF가 신경 줄기세포에서 pErk의 활성화를 유도한다는 가설이 지지되었다 (도 14D-F). 신경 줄기세포의 배양 뉴런 또는 신경 전구세포 스테이지 (DIV 1-2)는 라파마이신으로 사전 배양했는지와 관계없이 외인성 BDNF 처리 (200ng/ml)에 반응하여 ERK 활성화를 유도했다 (도 15A, B). 광 자극 미성숙 뉴런 (DIV 7)으로부터 농축된 상등액을 처리하면 DIV1-2 뉴런에서 ERK 활성화가 유도되었다. ERK의 활성화가 ANA-12로 전처리된 DIV 7 뉴런에서 기인하지 않는다는 것을 생각하면, 자극된 상등액에 포함된 BDNF가 관찰된 ERK 수준의 변화를 유도한 것으로 결론내릴 수 있을 가능성이 높다 (도 15C, D). 또한, 수여자 DIV 1 뉴런은 여전히 외인성 BDNF에 반응한다고 해도 라파마이신으로 전처리한 DIV 7 뉴런으로부터의 상등액은 ERK 활성화를 유도할 수 없고 (도 15E, F), 신경 줄기세포에서 ERK 활성화는 미성숙 뉴런에서 Fas 활성화에 의한 mTOR 유도 BDNF 분비의 결과임을 의미한다. 미성숙 뉴런에서 BDNF의 분비가 in vivo에서 신경 줄기세포의 pErk 활성화를 유발하는지 추가 조사를 위해 AAV-Nestin-Cre 및 AAV-hSyn-DIO-optoFAS를 BDNF-floxed 마우스 DG에 주입했다 (Bdnfflox/flox, 도 3I). GCL에서 pS6 양성 세포의 수는 크게 변화하지 않았으나 (도 3J, K), Bdnfflox / flox 마우스는 동일 모계 마우스와 비교하여 광 조사시 SGZ에서 pErk 양성 세포가 유의하게 적었다 (도 3J, L). 이러한 관찰을 통해, DG에서 파라크린 신호 전달 네트워크가 있고 그것을 통해 미성숙 뉴런에서 연장된 Fas 활성화가 BDNF의 방출을 유도하고, 신경 줄기세포의 pErk을 활성화한다고 결론지었다.To identify some mediating factors between mTOR activation in immature neurons and Erk activation in neural stem cells, we investigated three candidate molecules known to contribute to the regulation of neural stem cell populations. In the cell culture system, DIV 7 hippocampal neurons showed a rapid decrease in the neural stem cell markers SOX2 and DCX, but an increase in calretinin expressed in differentiating immature neurons (Figure 12A, B). Expression of brain-derived neurotrophic factor (BDNF) mRNA gradually increased in optoFAS transduced DIV 6 neurons after light irradiation ( Fig. 3A,B ). Another candidate, IGF-1 (insulin-like growth factor 1), steadily increased, and another candidate, IL-6, decreased (Figure 3C, D). To confirm the activation of Fas by light irradiation, we analyzed transcriptional changes in NeuroD (Figure 13A,B) and Hes5 (Figure 13C) by light stimulation. Treatment of cultured cells with rapamycin, an mTOR pathway inhibitor, inhibited both pS6 levels (Figures 14A-C) and mRNA expression of BDNF (Figures 3E, F). This is consistent with a previous report that BDNF transcription is downstream of Fas network mTOR signaling (21). Increased transcription of IGF-1 by optoFAS activation was not affected by rapamycin treatment (Figure 3G). Secretion of BDNF upon light irradiation by optoFAS-transduced neurons was confirmed by performing BDNF ELISA using supernatants from cultured neural plates (Figure 3H). Administration of ANA-12, a BDNF/TrkB inhibitor, to optoFAS-injected mice significantly reduced the number of pErk-positive cells in the SGZ after light stimulation, supporting the hypothesis that BDNF induces activation of pErk in neural stem cells in immature neurons ( Figure 14D-F). Culture of neural stem cells at the neuron or neural progenitor stage (DIV 1-2) induced ERK activation in response to exogenous BDNF treatment (200 ng/ml), regardless of whether they were pre-incubated with rapamycin (Figure 15A,B). Treatment with concentrated supernatants from light-stimulated immature neurons (DIV 7) induced ERK activation in DIV1-2 neurons. Considering that activation of ERK did not result from DIV 7 neurons pretreated with ANA-12, it is likely that BDNF contained in the stimulated supernatant induced the observed changes in ERK levels (Figure 15C, D). Additionally, although recipient DIV 1 neurons still responded to exogenous BDNF, supernatants from DIV 7 neurons pretreated with rapamycin were unable to induce ERK activation (Fig. 15E,F), and ERK activation in neural stem cells was impaired in immature neurons. This means that it is a result of mTOR-induced BDNF secretion by Fas activation. To further investigate whether secretion of BDNF from immature neurons triggers pErk activation of neural stem cells in vivo , AAV-Nestin-Cre and AAV-hSyn-DIO-optoFAS were injected into the DG of BDNF-floxed mice (Bdnfflox/flox, Figure 3I). Although the number of pS6-positive cells in the GCL did not change significantly (Fig. 3J,K), Bdnfflox/flox mice had significantly fewer pErk-positive cells in the SGZ upon light irradiation compared with identical maternal mice (Fig. 3J,L). From these observations, we conclude that there is a paracrine signaling network in the DG through which prolonged Fas activation in immature neurons induces the release of BDNF and activates pErk in neural stem cells.

(4) 미성숙 뉴런에서 Fas의 광유전학적 활성화시 BDNF VI 전사(4) BDNF VI transcription upon optogenetic activation of Fas in immature neurons

미성숙 뉴런에서 분비된 BDNF가 특히 신경 줄기세포에서 pErk의 활성화를 어떻게 유도할 수 있는지에 대해 확인했다. qRT-PCR을 통해 optoFAS 형질도입 해마 조직에서 광 자극에 의한 총 BDNF 전사가 상승하여, 운동한 해마에서 볼 수 있는 수준과 비슷한 수준까지 상승한 것으로 밝혀졌다 (도 3M, N). 그러나, 운동과는 달리, optoFAS의 활성화는 BDNF 스플라이싱 변이 중에서 BDNF VI의 전사를 우선적으로 증가시켰다 (도 3O). DG에서 optoFAS 반복 자극 (각 라운드 당 4 시간)은 자극 라운드의 수에 관계없이 BDNF의 총 전사 수준을 크게 변화시키지 않고 BDNF VI 전사 수준을 현저하게 증가시켰다 (도 3P-R). BDNF 스플라이싱 변이가 명확한 하부세포 국소화(subcellular localization)를 보이고, 공간적으로 제한된 역할을 나타내는 것을 고려할 때, BDNF VI는 공간 정보를 코드화하고, SGZ에서만 pErk 활성화를 지시할 가능성이 있다.We confirmed how BDNF secreted from immature neurons can induce the activation of pErk, especially in neural stem cells. qRT-PCR revealed that total BDNF transcription was elevated by light stimulation in optoFAS transduced hippocampus tissue, reaching a level similar to that seen in the exercised hippocampus ( Fig. 3M, N ). However, unlike exercise, activation of optoFAS preferentially increased transcription of BDNF VI among BDNF splicing variants (Figure 3O). In the DG, repeated optoFAS stimulation (4 h each round) significantly increased BDNF VI transcript levels without significantly changing the total transcript levels of BDNF, regardless of the number of stimulation rounds (Fig. 3P–R). Considering that BDNF splicing variants show distinct subcellular localization and spatially restricted roles, it is likely that BDNF VI encodes spatial information and directs pErk activation only in the SGZ.

(5) Fas의 반복적 활성화에 의해 유도된 성체 해마 신경신생(5) Adult hippocampal neurogenesis induced by repetitive activation of Fas

ERK 신호 전달은 세포 증식에 중요한 역할을 하고 있기 때문에, 신경 줄기세포의 증식이 발견된 Fas 신호 전달 네트워크를 통해 유도될 수 있는지 여부를 조사했다. OptoFAS 또는 GFP를 형질감염한 8 주령의 마우스에 i.p. BrdU를 주사하고 광 자극에 노출시켰다 (도 4A). optoFAS를 형질도입한 DG를 반복적으로 광 자극 (각 라운드 당 4 시간)하면 신경 줄기세포의 증식이 유도되고, 이는 BrdU 양성 세포의 증가에 의해 확인되었다 (도 4B). SOX-2 및 DCX의 IHC 염색 결과를 통해 세포가 신경 줄기세포 또는 전구 세포인 것으로 확인되었다 (도 4C, D). 1 주 배양 후 optoFAS 자극된 마우스는 DG에서 BrdU와 calretinin 이중 양성 세포가 통계적으로 유의한 증가를 나타냈고, 이것은 증식된 줄기세포가 분화하여 성체의 신경신생이 유도된 것을 의미한다 (도 4E-G). mTOR 경로를 차단하는 라파마이신의 투여는 광 자극시 BrdU 양성 세포의 수를 크게 감소시켜, 성체 신경신생이 새로운 Fas 신호 전달 네트워크에 의해 유도된 것임을 확인하였다 (도 4H-J).Because ERK signaling plays an important role in cell proliferation, we investigated whether proliferation of neural stem cells could be induced through the discovered Fas signaling network. Eight-week-old mice transfected with OptoFAS or GFP were i.p. BrdU was injected and exposed to light stimulation (Figure 4A). Repeated light stimulation (4 hours per round) of the optoFAS-transduced DG induced proliferation of neural stem cells, which was confirmed by an increase in BrdU-positive cells (Figure 4B). IHC staining results for SOX-2 and DCX confirmed that the cells were neural stem cells or progenitor cells (Figures 4C, D). After 1 week of culture, optoFAS-stimulated mice showed a statistically significant increase in BrdU and calretinin double-positive cells in the DG, indicating that the proliferated stem cells differentiated and induced adult neurogenesis ( Fig. 4E-G ). Administration of rapamycin, which blocks the mTOR pathway, significantly reduced the number of BrdU-positive cells upon light stimulation, confirming that adult neurogenesis was induced by a novel Fas signaling network ( Fig. 4H-J ).

(6) Fas 신호 네트워크의 반복적인 활성화에 의한 공간적 기억능 증가(6) Increased spatial memory ability by repetitive activation of the Fas signaling network

Fas 신호 전달 네트워크가 해마 의존성 기억과 관련된 행동에 영향을 미칠 수 있는지를 조사했다. DG는 공간 작업 기억 (spatial working memory)에 관여하고 있는 것으로 잘 알려져 있기 때문에, optoFAS 또는 GFP를 형질도입한 마우스를 Y 미로 시험에 놓고, 광 자극에 의한 자발적 변경 행동 (spontaneous alteration behavior)의 변화를 모니터링했다. 자극 후 1 일째 테스트 한 경우, 4 시간 1 회 빛 자극은 optoFAS를 주사한 마우스의 자발적 변경을 변화시키지 않았으나 자극을 반복 (5 라운드)한 경우 특정 시점에서의 자발적 변경 비율이 크게 증가했다 (도 5A, B). 반복 자극된 optoFAS 형질도입 마우스에서 자발적 변경의 상승은 자극 후 7,14 및 28 일째에 얻어진 샘플에서는 관찰되지 않아, 현상이 일시적임을 의미한다 (도 5D, E). 행동 변경이 새로운 Fas 신호 전달 네트워크를 통해 매개된 것을 확인하기 위해, 라파마이신 (도 5G) 또는 ANA-12 (도 5J)을 사용하여 각각 mTOR 경로 또는 BDNF / TrkB 신호를 차단했다. 처리에 의해 optoFAS 활성화 마우스의 자발적 변경의 상승을 억제하였다 (도 5H, K). Y 미로 암 (arm)에 들어온 총 항목은 실험 그룹간에 유의하게 차이나지 않았고 (도 5C, F, I, L), 마우스의 오픈 필드 테스트를 통해 확인된 이동 운동 기능이나 불안 수준도 실험 그룹간에 다르지 않았다 (도 16A-X). 따라서, 식별된 Fas 신호 전달 네트워크의 반복적인 활성화가 마우스 공간 작업 기억의 일시적 증가를 유발할 수 있음을 확인하였다.We investigated whether the Fas signaling network could influence hippocampus-dependent memory-related behavior. Since the DG is well known to be involved in spatial working memory, mice transduced with optoFAS or GFP were subjected to the Y maze test and changes in spontaneous alteration behavior by light stimulation were measured. monitored. When tested 1 day after stimulation, a single 4-hour light stimulation did not change spontaneous alterations in optoFAS-injected mice, but repeated stimulation (5 rounds) significantly increased the rate of spontaneous alterations at any given time point (Figure 5A , B). In repeatedly stimulated optoFAS transgenic mice, the elevation of spontaneous alterations was not observed in samples obtained at days 7, 14, and 28 after stimulation, indicating that the phenomenon was transient (Figure 5D,E). To confirm that the behavioral changes were mediated through the novel Fas signaling network, we blocked the mTOR pathway or BDNF/TrkB signaling using rapamycin (Figure 5G) or ANA-12 (Figure 5J), respectively. Treatment inhibited the elevation of spontaneous alterations in optoFAS-activated mice (Figures 5H,K). Total entries into the Y maze arm did not differ significantly between experimental groups (Figure 5C, F, I, L), and neither locomotor function nor anxiety levels, as determined through open field testing in mice, differed between experimental groups. (Figure 16A-X). Therefore, it was confirmed that repetitive activation of the identified Fas signaling network can cause a transient increase in mouse spatial working memory.

뇌 질환에서 잘 알려진 Fas의 유도성 발현에도 불구하고, Fas 신호 전달이 어떻게 작동하는지 표현형에 영향을 미치는지 아직 이해되지 않았다. 여기에서는 광유전학적으로 활성화할 수 있는 Fas을 사용하여 뇌의 Fas 신호를 조사하여, 신호 네트워크를 시공간적으로 제어할 수 있게 되었다. 미성숙 뉴런과 신경 줄기세포 사이의 상호작용과 관련하여, DG에서 새로운 Fas 신호 전달 네트워크를 발견했다. 미성숙 뉴런에서 Fas의 일시적 활성화는 mTOR 경로만 활성화하지만, 장기적 활성화는 Fas 발현 미성숙 뉴런의 mTOR 경로와 Fas 발현이 부족한 신경 줄기세포의 ERK 경로 (분비된 BDNF를 통해) 모두를 유도한다 (도 6A). 또한, Fas 신호 전달 네트워크의 반복적인 활성화는 신경 줄기세포의 증식과 공간 작업 기억의 일시적인 증가를 가져올 수 있다 (도 6B). Despite the well-known inducible expression of Fas in brain diseases, it is not yet understood how Fas signaling works and whether it affects the phenotype. Here, by examining Fas signals in the brain using optogenetically activable Fas, it was possible to control the signaling network in space and time. Regarding the interaction between immature neurons and neural stem cells, we discovered a novel Fas signaling network in the DG. Transient activation of Fas in immature neurons activates only the mTOR pathway, whereas long-term activation induces both the mTOR pathway in Fas-expressing immature neurons and the ERK pathway (via secreted BDNF) in neural stem cells lacking Fas expression (Figure 6A) . Additionally, repetitive activation of the Fas signaling network can result in neural stem cell proliferation and transient increases in spatial working memory (Figure 6B).

Fas는 뇌 질환 대부분에서 결여된 것이 아니라 과발현되고 있기 때문에 Fas의 실제 작용 기전을 반영하고 있다. 여기에 성체 신경신생을 유도하는 Fas 신호 전달 네트워크의 발견 뿐 아니라, 신경신생은 신호 전달 네트워크의 단일 전달 보다는 반복적인 활성화에 의한 것임을 확인했다. 이것은 신경 줄기세포의 증식이 Fas에 의해 질환이 생긴 뇌에서 반복되는 경고 신호의 결과임을 의미한다. 신경 줄기세포가 알츠하이머 뇌에서 BDNF를 통해 인식 개선에 기여함을 고려하면, 증가된 자발적 변경을 나타내는 마우스에서 BDNF가 우선적으로 상승하는 것을 생각하면, BDNF VI는 Fas 활성화된 뇌에서 공간 작업 기억의 개선을 유도할 가능성이 있다고 추측한다. 성체 신경신생 수준은 뇌졸중과 같은 급성 신경 질환에서 증가하는 것으로 알려져 있다. 만성 질환에서 성체 신경신생의 변화에 대해 몇 가지 논의가 있다. 확인된 Fas 신호 전달 네트워크가 이러한 질환에서 관찰된 성체 신경신생 증가의 원인이 될 수 있음을 제안한다. Akt-mTOR 및 MAPK-up-signatures가 Fas 발현이 증가한 경증 알츠하이머 환자에서만 관찰된 것이 증거이다. 게다가, 인지와 기억의 문제가 만성 신경 질환의 초기 단계에서 특정되는 것은 거의 없다. 알츠하이머 환자에서 가벼운 인지 장애 (즉, 약한 영향을 받은 기억 레벨)의 임상 단계를 일반적으로 질환 경과 초기에 볼 수 있다. 다른 만성 신경 질환에 대해서도 같은 결과가 보고되고 있다. optoFAS의 반복적 인 활성화가 일시적 기억능 증가를 가져온 것을 감안할 때, 질병의 초기 과정에서의 Fas의 반복적인 활성화는 인지 기능과 기억능을 보호하는 데 도움이 될 수 있다.Fas is overexpressed rather than absent in most brain diseases, reflecting the actual mechanism of action of Fas. In addition to the discovery of the Fas signaling network that induces adult neurogenesis, it was confirmed that neurogenesis is caused by repetitive activation rather than single transmission of the signaling network. This means that neural stem cell proliferation is the result of repeated warning signals in the Fas-induced diseased brain. Given that neural stem cells contribute to improved cognition through BDNF in the Alzheimer's brain, and given that BDNF is preferentially elevated in mice showing increased spontaneous alterations, BDNF VI improves spatial working memory in Fas-activated brains. It is assumed that there is a possibility of inducing . Levels of adult neurogenesis are known to be increased in acute neurological diseases such as stroke. There is some discussion about changes in adult neurogenesis in chronic diseases. We suggest that the identified Fas signaling network may be responsible for the increased adult neurogenesis observed in these diseases. Evidence suggests that Akt-mTOR and MAPK-up-signatures were observed only in mild Alzheimer's patients with increased Fas expression. Furthermore, problems with cognition and memory are rarely identified in the early stages of chronic neurological disease. In Alzheimer's patients, clinical stages of mild cognitive impairment (i.e., mildly affected memory levels) are usually seen early in the disease course. The same results have been reported for other chronic neurological diseases. Given that repeated activation of optoFAS resulted in increased episodic memory performance, repeated activation of Fas in the early course of the disease may help protect cognitive and memory functions.

광유전학적 활성화 가능한 Fas 수용체를 사용하여 미성숙 뉴런의 Fas 활성화를 신경 줄기세포의 ERK 활성화에 연관시키는 메커니즘을 발견했다. 광유전학에 의해서만 구현되는 시공간적이고 반복적 활성화를 통해 신호 전달 네트워크가 어떻게 성체 신경신생을 유도하는지 확인할 수 있었다. 제안된 Fas 신호 네트워크는 네트워크의 행동적 결과로 BDNF를 통해 공간 작업 기억을 일시적으로 증가할 수 있음을 확인했다. Using an optogenetically activatable Fas receptor, we discovered a mechanism linking Fas activation in immature neurons to ERK activation in neural stem cells. We were able to see how the signal transduction network induces adult neurogenesis through spatiotemporal and repetitive activation realized only by optogenetics. We confirmed that the proposed Fas signaling network can temporarily increase spatial working memory through BDNF as a behavioral consequence of the network.

이상으로 본 발명의 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.As above, specific parts of the content of the present invention have been described in detail, and for those skilled in the art, it is clear that these specific techniques are merely preferred embodiments and do not limit the scope of the present invention. It will be obvious. Accordingly, the substantial scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

<110> Institute for Basic Science <120> Optogenetically Activatable Fas Receptor and Use Thereof <130> 063 <150> KR 20/046,780 <151> 2020-04-17 <160> 4 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 22 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> membrane-anchoring sequence <400> 1 Met Gly Cys Ile Lys Ser Lys Gly Lys Asp Ser Ala Gly Ala Asp Ser 1 5 10 15 Ala Gly Ser Ala Gly Ser 20 <210> 2 <211> 335 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> Fas Receptor <400> 2 Met Leu Gly Ile Trp Thr Leu Leu Pro Leu Val Leu Thr Ser Val Ala 1 5 10 15 Arg Leu Ser Ser Lys Ser Val Asn Ala Gln Val Thr Asp Ile Asn Ser 20 25 30 Lys Gly Leu Glu Leu Arg Lys Thr Val Thr Thr Val Glu Thr Gln Asn 35 40 45 Leu Glu Gly Leu His His Asp Gly Gln Phe Cys His Lys Pro Cys Pro 50 55 60 Pro Gly Glu Arg Lys Ala Arg Asp Cys Thr Val Asn Gly Asp Glu Pro 65 70 75 80 Asp Cys Val Pro Cys Gln Glu Gly Lys Glu Tyr Thr Asp Lys Ala His 85 90 95 Phe Ser Ser Lys Cys Arg Arg Cys Arg Leu Cys Asp Glu Gly His Gly 100 105 110 Leu Glu Val Glu Ile 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Asp Tyr Ala Lys Asn Ser Lys Lys Val Val 225 230 235 240 Gly Asn Ser Thr Ser Leu Leu Ser Pro Tyr Leu His Phe Gly Glu Ile 245 250 255 Ser Val Arg His Val Phe Gln Cys Ala Arg Met Lys Gln Ile Ile Trp 260 265 270 Ala Arg Asp Lys Asn Ser Glu Gly Ala Glu Ser Ala Asp Leu Phe Leu 275 280 285 Arg Gly Ile Gly Leu Arg Glu Tyr Ser Arg Tyr Ile Cys Phe Asn Phe 290 295 300 Pro Phe Thr His Glu Gln Ser Leu Leu Ser His Leu Arg Phe Phe Pro 305 310 315 320 Trp Asp Ala Asp Val Asp Lys Phe Lys Ala Trp Arg Gln Gly Arg Thr 325 330 335 Gly Tyr Pro Leu Val Asp Ala Gly Met Arg Glu Leu Trp Ala Thr Gly 340 345 350 Trp Met His Asn Arg Ile Arg Val Ile Val Ser Ser Phe Ala Val Lys 355 360 365 Phe Leu Leu Leu Pro Trp Lys Trp Gly Met Lys Tyr Phe Trp Asp Thr 370 375 380 Leu Leu Asp Ala Asp Leu Glu Cys Asp Ile Leu Gly Trp Gln Tyr Ile 385 390 395 400 Ser Gly Ser Ile Pro Asp Gly His Glu Leu Asp Arg Leu Asp Asn Pro 405 410 415 Ala Leu Gln Gly Ala Lys Tyr Asp Pro Glu Gly Glu Tyr Ile Arg Gln 420 425 430 Trp Leu Pro Glu Leu Ala Arg Leu Pro Thr Glu Trp Ile His His Pro 435 440 445 Trp Asp Ala Pro Leu Thr Val Leu Lys Ala Ser Gly Val Glu Leu Gly 450 455 460 Thr Asn Tyr Ala Lys Pro Ile Val Asp Ile Asp Thr Ala Arg Glu Leu 465 470 475 480 Leu Ala Lys Ala Ile Ser Arg Thr Arg Glu Ala Gln Ile Met Ile Gly 485 490 495 Ala Ala <110> Institute for Basic Science <120> Optogenetically Activatable Fas Receptor and Use Thereof <130> 063 <150> KR 20/046,780 <151> 2020-04-17 <160> 4 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 22 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> membrane-anchoring sequence <400> 1 Met Gly Cys Ile Lys Ser Lys Gly Lys Asp Ser Ala Gly Ala Asp Ser 1 5 10 15 Ala Gly Ser Ala Gly Ser 20 <210> 2 <211> 335 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> Fas Receptor <400> 2 Met Leu Gly Ile Trp Thr Leu Leu Pro Leu Val Leu Thr Ser Val Ala 1 5 10 15 Arg Leu Ser Ser Lys Ser Val Asn Ala Gln Val Thr Asp Ile Asn Ser 20 25 30 Lys Gly Leu Glu Leu Arg Lys Thr Val Thr Thr Val Glu Thr Gln Asn 35 40 45 Leu Glu Gly Leu His His Asp Gly Gln Phe Cys His Lys Pro Cys Pro 50 55 60 Pro Gly Glu Arg Lys Ala Arg Asp Cys Thr Val Asn Gly Asp Glu Pro 65 70 75 80 Asp Cys Val Pro Cys Gln Glu Gly Lys Glu Tyr Thr Asp Lys Ala His 85 90 95 Phe Ser Ser Lys Cys Arg Arg Cys Arg Leu Cys Asp Glu Gly His Gly 100 105 110 Leu Glu Val Glu Ile Asn Cys Thr Arg Thr Gln Asn Thr Lys Cys Arg 115 120 125 Cys Lys Pro Asn Phe Phe Cys Asn Ser Thr Val Cys Glu His Cys Asp 130 135 140 Pro Cys Thr Lys Cys Glu His Gly Ile Ile Lys Glu Cys Thr Leu Thr 145 150 155 160 Ser Asn Thr Lys Cys Lys Glu Glu Gly Ser Arg Ser Asn Leu Gly Trp 165 170 175 Leu Cys Leu Leu Leu Leu Pro Ile Pro Leu Ile Val Trp Val Lys Arg 180 185 190 Lys Glu Val Gln Lys Thr Cys Arg Lys His Arg Lys Glu Asn Gln Gly 195 200 205 Ser His Glu Ser Pro Thr Leu Asn Pro Glu Thr Val Ala Ile Asn Leu 210 215 220 Ser Asp Val Asp Leu Ser Lys Tyr Ile Thr Thr Ile Ala Gly Val Met 225 230 235 240 Thr Leu Ser Gln Val Lys Gly Phe Val Arg Lys Asn Gly Val Asn Glu 245 250 255 Ala Lys Ile Asp Glu Ile Lys Asn Asp Asn Val Gln Asp Thr Ala Glu 260 265 270 Gln Lys Val Gln Leu Leu Arg Asn Trp His Gln Leu His Gly Lys Lys 275 280 285 Glu Ala Tyr Asp Thr Leu Ile Lys Asp Leu Lys Lys Ala Asn Leu Cys 290 295 300 Thr Leu Ala Glu Lys Ile Gln Thr Ile Ile Leu Lys Asp Ile Thr Ser 305 310 315 320 Asp Ser Glu Asn Ser Asn Phe Arg Asn Glu Ile Gln Ser Leu Val 325 330 335 <210> 3 <211> 145 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> cytoplasmic domain of Fas Receptor <400> 3 Lys Arg Lys Glu Val Gln Lys Thr Cys Arg Lys His Arg Lys Glu Asn 1 5 10 15 Gln Gly Ser His Glu Ser Pro Thr Leu Asn Pro Glu Thr Val Ala Ile 20 25 30 Asn Leu Ser Asp Val Asp Leu Ser Lys Tyr Ile Thr Thr Ile Ala Gly 35 40 45 Val Met Thr Leu Ser Gln Val Lys Gly Phe Val Arg Lys Asn Gly Val 50 55 60 Asn Glu Ala Lys Ile Asp Glu Ile Lys Asn Asp Asn Val Gln Asp Thr 65 70 75 80 Ala Glu Gln Lys Val Gln Leu Leu Arg Asn Trp His Gln Leu His Gly 85 90 95 Lys Lys Glu Ala Tyr Asp Thr Leu Ile Lys Asp Leu Lys Lys Ala Asn 100 105 110 Leu Cys Thr Leu Ala Glu Lys Ile Gln Thr Ile Ile Leu Lys Asp Ile 115 120 125 Thr Ser Asp Ser Glu Asn Ser Asn Phe Arg Asn Glu Ile Gln Ser Leu 130 135 140 Val 145 <210> 4 <211> 498 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> CRY2PHR <400> 4 Met Lys Met Asp Lys Lys Thr Ile Val Trp Phe Arg Arg Asp Leu Arg 1 5 10 15 Ile Glu Asp Asn Pro Ala Leu Ala Ala Ala Ala His Glu Gly Ser Val 20 25 30 Phe Pro Val Phe Ile Trp Cys Pro Glu Glu Glu Gly Gln Phe Tyr Pro 35 40 45 Gly Arg Ala Ser Arg Trp Trp Met Lys Gln Ser Leu Ala His Leu Ser 50 55 60 Gln Ser Leu Lys Ala Leu Gly Ser Asp Leu Thr Leu Ile Lys Thr His 65 70 75 80 Asn Thr Ile Ser Ala Ile Leu Asp Cys Ile Arg Val Thr Gly Ala Thr 85 90 95 Lys Val Val Phe Asn His Leu Tyr Asp Pro Val Ser Leu Val Arg Asp 100 105 110 His Thr Val Lys Glu Lys Leu Val Glu Arg Gly Ile Ser Val Gln Ser 115 120 125 Tyr Asn Gly Asp Leu Leu Tyr Glu Pro Trp Glu Ile Tyr Cys Glu Lys 130 135 140 Gly Lys Pro Phe Thr Ser Phe Asn Ser Tyr Trp Lys Lys Cys Leu Asp 145 150 155 160 Met Ser Ile Glu Ser Val Met Leu Pro Pro Pro Trp Arg Leu Met Pro 165 170 175 Ile Thr Ala Ala Ala Glu Ala Ile Trp Ala Cys Ser Ile Glu Glu Leu 180 185 190 Gly Leu Glu Asn Glu Ala Glu Lys Pro Ser Asn Ala Leu Leu Thr Arg 195 200 205 Ala Trp Ser Pro Gly Trp Ser Asn Ala Asp Lys Leu Leu Asn Glu Phe 210 215 220 Ile Glu Lys Gln Leu Ile Asp Tyr Ala Lys Asn Ser Lys Lys Val Val 225 230 235 240 Gly Asn Ser Thr Ser Leu Leu Ser Pro Tyr Leu His Phe Gly Glu Ile 245 250 255 Ser Val Arg His Val Phe Gln Cys Ala Arg Met Lys Gln Ile Ile Trp 260 265 270 Ala Arg Asp Lys Asn Ser Glu Gly Ala Glu Ser Ala Asp Leu Phe Leu 275 280 285 Arg Gly Ile Gly Leu Arg Glu Tyr Ser Arg Tyr Ile Cys Phe Asn Phe 290 295 300 Pro Phe Thr His Glu Gln Ser Leu Leu Ser His Leu Arg Phe Phe Pro 305 310 315 320 Trp Asp Ala Asp Val Asp Lys Phe Lys Ala Trp Arg Gln Gly Arg Thr 325 330 335 Gly Tyr Pro Leu Val Asp Ala Gly Met Arg Glu Leu Trp Ala Thr Gly 340 345 350 Trp Met His Asn Arg Ile Arg Val Ile Val Ser Ser Phe Ala Val Lys 355 360 365 Phe Leu Leu Leu Pro Trp Lys Trp Gly Met Lys Tyr Phe Trp Asp Thr 370 375 380 Leu Leu Asp Ala Asp Leu Glu Cys Asp Ile Leu Gly Trp Gln Tyr Ile 385 390 395 400 Ser Gly Ser Ile Pro Asp Gly His Glu Leu Asp Arg Leu Asp Asn Pro 405 410 415 Ala Leu Gln Gly Ala Lys Tyr Asp Pro Glu Gly Glu Tyr Ile Arg Gln 420 425 430 Trp Leu Pro Glu Leu Ala Arg Leu Pro Thr Glu Trp Ile His His Pro 435 440 445 Trp Asp Ala Pro Leu Thr Val Leu Lys Ala Ser Gly Val Glu Leu Gly 450 455 460 Thr Asn Tyr Ala Lys Pro Ile Val Asp Ile Asp Thr Ala Arg Glu Leu 465 470 475 480 Leu Ala Lys Ala Ile Ser Arg Thr Arg Glu Ala Gln Ile Met Ile Gly 485 490 495 Ala Ala

Claims (13)

Fas 수용체 (Fas cell surface death receptor)의 세포질 도메인;
상기 세포질 도메인에 결합된, 서열번호 1의 아미노산 서열을 포함하는 막 고정 서열 (membrane-anchoring sequence: lyn); 및
광유도 이합체 형성 단백질을 포함하는, 광조사에 의해 광유전학적으로 활성화 가능한 융합단백질.
Cytoplasmic domain of the Fas receptor (Fas cell surface death receptor);
A membrane-anchoring sequence (lyn) comprising the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1, bound to the cytoplasmic domain; and
A fusion protein comprising a light-induced dimer forming protein and capable of being optogenetically activated by light irradiation.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 광유도 이합체 형성 단백질은 CIB(cryptochrome-interacting basic-helix-loop-helix protein), CIBN(N-terminal domain of CIB), Phy(phytochrome), PIF(phytochrome interacting factor), FKF1(Flavin-binding, Kelch repeat, F-box 1), GIGANTEA, CRY(cryptochrome) 또는 PHR(photolyase homolgous region)인 융합단백질.The method of claim 1, wherein the light-induced dimer forming protein is CIB (cryptochrome-interacting basic-helix-loop-helix protein), CIBN (N-terminal domain of CIB), Phy (phytochrome), PIF (phytochrome interacting factor), Fusion proteins that are FKF1 (Flavin-binding, Kelch repeat, F-box 1), GIGANTEA, CRY (cryptochrome), or PHR (photolyase homolgous region). 제1항에 있어서, 상기 광유도 이합체 형성 단백질은 CRY(chryptochrome) 2의 PHR 도메인 (CRY2PHR)인 융합단백질.The fusion protein according to claim 1, wherein the light-induced dimer forming protein is the PHR domain of CRY (chryptochrome) 2 (CRY2PHR). 제1항에 있어서, 형광 단백질을 추가로 포함하는 융합단백질.The fusion protein according to claim 1, further comprising a fluorescent protein. 제6항에 있어서, 상기 형광 단백질은 녹색형광단백질(green fluorescent protein, GFP), 향상 녹색형광단백질 (Enhanced Green Fluorescent Protein, EGFP), 황색형광단백질(yellow fluorescent protein, YFP), 적색형광단백질(red fluorescent protein, RFP), 주황형광단백질(orange fluorescent protein, OFP), 청록색형광단백질(cyan fluorescent protein, CFP), 청색형광단백질(blue fluorescent protein, BFP), 원적색형광단백질(far-red fluorescent protein) 또는 테트라시스테인 모티프(tetracystein motif)인 융합단백질.The method of claim 6, wherein the fluorescent protein is green fluorescent protein (GFP), enhanced green fluorescent protein (EGFP), yellow fluorescent protein (YFP), and red fluorescent protein (red fluorescent protein). fluorescent protein (RFP), orange fluorescent protein (OFP), cyan fluorescent protein (CFP), blue fluorescent protein (BFP), far-red fluorescent protein Or a fusion protein with a tetracysteine motif. 제1항에 있어서, 상기 광은 광유도 이합체 형성 단백질의 올리고머화를 유도할 수 있는 것을 특징으로 하는 융합단백질.The fusion protein according to claim 1, wherein the light can induce oligomerization of the light-induced dimer forming protein. 제1항, 및 제4항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 융합단백질을 코딩하는 폴리뉴클레오티드.A polynucleotide encoding the fusion protein according to any one of claims 1 and 4 to 8. 제1항의 융합단백질 또는 이를 코딩하는 폴리뉴클레오티드를 포함하고, 광 조사에 의해 Fas 단백질의 활성을 조절하기 위한 조성물.A composition comprising the fusion protein of claim 1 or a polynucleotide encoding the same, and for controlling the activity of Fas protein by light irradiation. 제1항의 융합단백질 또는 이를 코딩하는 폴리뉴클레오티드를 포함하고, 광의 반복적 조사에 의한 상기 광유전학적으로 활성화 가능한 융합단백질의 반복적 활성화를 통해, 인지 또는 기억능을 향상시키기 위한 조성물.A composition comprising the fusion protein of claim 1 or a polynucleotide encoding the same, and for improving cognition or memory through repeated activation of the optogenetically activatable fusion protein by repeated irradiation of light. 제1항의 융합단백질 또는 이를 코딩하는 폴리뉴클레오티드를 포함하고, 광의 반복적 조사에 의한 상기 광유전학적으로 활성화 가능한 융합단백질의 반복적 활성화를 통해, 뇌의 신경신생 (neurogenesis)을 향상시키기 위한 조성물.A composition comprising the fusion protein of claim 1 or a polynucleotide encoding the same, and for improving neurogenesis in the brain through repeated activation of the optogenetically activatable fusion protein by repeated irradiation of light. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 융합단백질은 5 mW/mm2의 강도와 500mHz의 주파수의 청색광을 1일당 4시간, 3-5일 반복적 조사하여 활성화되는 조성물. The composition according to claim 11 or 12, wherein the fusion protein is activated by repeated irradiation of blue light with an intensity of 5 mW/mm2 and a frequency of 500 mHz for 4 hours per day for 3-5 days.
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