Differentiation and Apoptosis of the Mammalian Embryo and Embryonic Stem Cells(ESC): I. Establishment of Mouse ESC and Induction of Differentiation by Reproductive Hormones

포유동물의 배아 및 기간세포의 분화와 세포사멸 기작: I. 생쥐 배아줄기세포의 확립과 분화유도에 미치는 생식호르몬의 영향

Embryonic stem cells(ES cells) are derived from the inner cell mass(ICM) of blastocysts, which have the potentials to remain undifferentiated, to proliferate indefinitely in vitro, to differentiate into the derivates of three embryonic germ layers. ES cells are an attractive model system for studying the initial developmental decisions and their molecular mechanisms during embryogenesis. Additionally, ES cells of significant interest to those characterizing the various gene functions utilizing transgenic and gene targeting techniques. We investigated the effects of reproductive hormones, gonadotropins(GTH) and steroids on the induction of differentiation and expressions of their receptor genes using the newly established mouse ES cells. We collected the matured blastocysts of inbred mice C57BL/6J after superovulation and co-cultured with mitotically inactivated STO feeder cells. After 5 passages, we confirmed the expression alkaline phosphatase(Alk P) activity and SSEA-1, 3, 4 expressions. The protocol devised for inducing ES differentiation consisted of an aggregation steps, after 5 days as EBs in hormone treatments(FSH, LH, E$_2$, P$_4$, T) that allows complex signaling to occur between the cells and a dissociation step, induced differentiation through attachment culture during 7 days in hormone treatments. Hormone receptors were not increased in dose-dependent manner. All hormone receptors in ES cells treated reproductive hormones were expressed lower than those of undifferentiated ES cell except for LHR expression in E$_2$-treated ES cells group. After hormone induced differentiation, at least some of the cells are not terminally differentiated, as is evident from the expression of Oct-4, a marker of undifferentiated. To assess their differentiation by gene expression, we analyzed the expression of 7 tissue-specific markers from all three germ layers. Most of hormone-treated group increased in the expression of gata-4 and $\alpha$ -fetoprotein, suggesting reproductive hormone allowed or induced differentiation of endoderm.

배아줄기세포(embryonic stem cell, ESC)는 미분화상태로 지속적인 계대가 가능하며, 정상 핵형과 전 분화능(pluripotency)을 가져 생체내-외에서 분화 유도시 삼배엽성의 모든 세포로 분화 가능하다. ESC를 feeder 세포 없이 부유배양하면 배아체(embryoid body, EB)를 형성하고, 초기 배아 발생과 유사한 분화 양상을 갖는다. ESC의 분화 유도가 초기배아 발생처럼 생식호르몬(GTH: FSH, LH; steroids)의 영향을 받는지는 불명하다. 본 연구는 ESC가 분화과정중 생식호르몬처리에 의해 그들 수용체가 발현되는가를 알아보고자 하였다. 순계혈통 생쥐인 C57BL/6J에서 과배란 유도후 포배를 수획하고, 유사분열적으로 불활성화된 feeder 세포와 공배양하여, 계대배양 하는 중 배아줄기세포주(JHYl)를 확립하였다. JHY1의 alkaline phosphatase 활성과 SSEA-1, 3, 4 발현을 통해 ESC임을 확인하였다. Feeder 세포 없이 ESC를 계대배양 후 호르몬처리(FSH LH E$_2$, P$_4$, T)하에서 5일 동안 부유배양하여 배아체를 형성시키고, 이후 7일 동안 부착배양하여 분화를 유도하였다. GTH와 스테로이드의 수용체 발현 실험에서 ESC에 E$_2$ 처리에 의한 LHR의 발현 증가를 제외한 나머지 호르몬 처리군에서 ESC보다 낮은 생식호르몬의 수용체 발현이 관찰되었다. 생식호르몬을 농도별 수용체 발현 정도는 증감되지 않았다. 미분화 ESC 표지유전자인 Oct-4는 호르몬 처리군에서도 발현되었다. 각 배엽의 표지유전자들(영양세포, handl; 외배엽성, keratin와fgf-5; 중배엽성, enolase와 $\alpha$ -globin; 내배엽성, gata-4와 $\alpha$ -fetoprotein) 등의 발현 양상을 조사한 결과 호르몬 처리후 내배엽성 표지유전자외에는 발현 증가가 관찰되지 않았다. 즉 생식호르몬에 의해 gata-4, $\alpha$-fetoprotein의 발현이 증가되는 것으로 보아 내배엽성 계열로의 분화 유도가 이루어진 것으로 사료된다.