DNA methylation at CpG sites is an essential epigenetic mark that regulates gene expression during mammalian development and diseases. Methylome refers to the entire set of methylation modifications present in the whole genome. Over the last several years, an increasing number of reports on brain DNA methylome reported the association between aberrant methylation and the abnormalities in the expression of critical genes known to have critical roles during aging and neurodegenerative diseases. Consequently, the role of methylation in understanding neurodegenerative diseases has been under focus. This review outlines the current knowledge of the human brain DNA methylomes during aging and neurodegenerative diseases. We describe the differentially methylated genes from fetal stage to old age and their biological functions. Additionally, we summarize the key aspects and methylated genes identified from brain methylome studies on neurodegenerative diseases. The brain methylome studies could provide a basis for studying the functional aspects of neurodegenerative diseases.
Kim, Soo Min;Cho, Soo Young;Kim, Min Woong;Roh, Seung Ryul;Shin, Hee Sun;Suh, Young Ho;Geum, Dongho;Lee, Myung Ae
Molecules and Cells
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v.43
no.6
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pp.551-571
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2020
Nuclear receptor-related 1 (Nurr1) protein has been identified as an obligatory transcription factor in midbrain dopaminergic neurogenesis, but the global set of human NURR1 target genes remains unexplored. Here, we identified direct gene targets of NURR1 by analyzing genome-wide differential expression of NURR1 together with NURR1 consensus sites in three human neural stem cell (hNSC) lines. Microarray data were validated by quantitative PCR in hNSCs and mouse embryonic brains and through comparison to published human data, including genome-wide association study hits and the BioGPS gene expression atlas. Our analysis identified ~40 NURR1 direct target genes, many of them involved in essential protein modules such as synapse formation, neuronal cell migration during brain development, and cell cycle progression and DNA replication. Specifically, expression of genes related to synapse formation and neuronal cell migration correlated tightly with NURR1 expression, whereas cell cycle progression correlated negatively with it, precisely recapitulating midbrain dopaminergic development. Overall, this systematic examination of NURR1-controlled regulatory networks provides important insights into this protein's biological functions in dopamine-based neurogenesis.
The present study demonstrated that valproic acid (VPA) transcriptionally regulates human GM3 synthase (hST3Gal V), which catalyzes ganglioside GM3 biosynthesis in ARPE-19 human retinal pigment epithelial cells. For this, we characterized the promoter region of the hST3Gal V gene. Functional analysis of the 5'-flanking region of the hST3Gal V gene revealed that the -177 to -83 region functions as the VPA-inducible promoter and that the CREB/ATF binding site at -143 is crucial for VPA-induced expression of hST3Gal V in ARPE-19 cells. In addition, the transcriptional activity of hST3Gal V induced by VPA in ARPE-19 cells was inhibited by SP600125, a c-Jun N-terminal kinase (JNK) inhibitor. In summary, our results identified the core promoter region in the hST3Gal V promoter and for the first time demonstrated that ATF2 binding to the CREB/ATF binding site at -143 is essential for transcriptional activation of hST3Gal V in VPA-induced ARPE-19 cells.
Significant knowledge about the pathophysiology of Alzheimer's disease (AD) has been gained in the last century; however, the understanding of its causes of onset remains limited. Late-onset AD is observed in about 95% of patients, and APOE4-encoding apolipoprotein E4 (ApoE4) is strongly associated with these cases. As an apolipoprotein, the function of ApoE in brain cholesterol transport has been extensively studied and widely appreciated. Development of new technologies such as human-induced pluripotent stem cells (hiPSCs) and CRISPR-Cas9 genome editing tools have enabled us to develop human brain model systems in vitro and readily manipulate genomic information. In the context of these advances, recent studies provide strong evidence that abnormal cholesterol metabolism by ApoE4 could be linked to AD-associated pathology. In this review, we discuss novel discoveries in brain cholesterol dysregulation by ApoE4. We further elaborate cell type-specific roles in cholesterol regulation of four major brain cell types, neurons, astrocytes, microglia, and oligodendrocytes, and how its dysregulation can be linked to AD pathology.
In this study, human head-mimicking phantom was developed for brain disease treatment study using focused ultrasound. Acoustic parameters of skin, skull and brain were investigated through literature investigation and adequate substitutes according to each tissue were suggested. In the case of skin phantom, construction ratio of glycerol-based TMM phantom was controlled to mimic real skin. The suitability of skull substitutes was evaluated through measurement of acoustic parameters. In the case of brain phantom, transparent egg white phantom was used to observe thermal properties of focused ultrasound. Combined human-head-mimicking phantom using each substitutes was fabricated for development of brain disease treatment protocol. Denaturation of brain phantom according to ultrasonic condition was observed for validation.
Lee, Jae Hoon;Kam, Eun Hee;Kim, Jeong Min;Kim, So Yeon;Kim, Eun Jeong;Cheon, So Yeong;Koo, Bon-Nyeo
Biomolecules & Therapeutics
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v.25
no.2
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pp.149-157
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2017
The interleukin-1 receptor antagonist (IL-1RA) is a potential stroke treatment candidate. Intranasal delivery is a novel method thereby a therapeutic protein can be penetrated into the brain parenchyma by bypassing the blood-brain barrier. Thus, this study tested whether intranasal IL-1RA can provide neuroprotection and brain penetration in transient cerebral ischemia. In male Sprague-Dawley rats, focal cerebral ischemia was induced by middle cerebral artery occlusion (MCAO) for 1 h. The rats simultaneously received 50 mg/kg human IL-1RA through the intranasal (IN group) or intraperitoneal route (IP group). The other rats were given 0.5 mL/kg normal saline (EC group). Neurobehavioral function, infarct size, and the concentration of the administered human IL-1RA in the brain tissue were assessed. In addition, the cellular distribution of intranasal IL-1RA in the brain and its effect on proinflammatory cytokines expression were evaluated. Intranasal IL-1RA improved neurological deficit and reduced infarct size until 7 days after MCAO (p<0.05). The concentrations of the human IL-1RA in the brain tissue 24 h after MCAO were significantly greater in the IN group than in the IP group (p<0.05). The human IL-1RA was confirmed to be co-localized with neuron and microglia. Furthermore, the IN group had lower expression of $interleukin-1{\beta}$ and tumor necrosis $factor-{\alpha}$ at 6 h after MCAO than the EC group (p<0.05). These results suggest that intranasal IL-1RA can reach the brain parenchyma more efficiently and provide superior neuroprotection in the transient focal cerebral ischemia.
Therapeutic efficacy of mesenchymal stem cells (MSCs) is determined by biodistribution and engraftment in vivo. Compared to intravenous infusion, biodistribution of locally transplanted MSCs are partially understood. Here, we performed a pharmacokinetics (PK) study of MSCs after local transplantation. We grafted human MSCs into the brains of immune-compromised nude mice. Then we extracted genomic DNA from brains, lungs, and livers after transplantation over a month. Using quantitative polymerase chain reaction with human Alu-specific primers, we analyzed biodistribution of the transplanted cells. To evaluate the role of residual immune response in the brain, MSCs expressing a cytosine deaminase (MSCs/CD) were used to ablate resident immune cells at the injection site. The majority of the Alu signals mostly remained at the injection site and decreased over a week, finally becoming undetectable after one month. Negligible signals were transiently detected in the lung and liver during the first week. Suppression of Iba1-positive microglia in the vicinity of the injection site using MSCs/CD prolonged the presence of the Alu signals. After local transplantation in xenograft animal models, human MSCs remain predominantly near the injection site for limited time without disseminating to other organs. Transplantation of human MSCs can locally elicit an immune response in immune compromised animals, and suppressing resident immune cells can prolong the presence of transplanted cells. Our study provides valuable insights into the in vivo fate of locally transplanted stem cells and a local delivery is effective to achieve desired dosages for neurological diseases.
Myung Geun Kook;Seung-Eun Lee;Nari Shin;Dasom Kong;Da-Hyun Kim;Min-Soo Kim;Hyun Kyoung Kang;Soon Won Choi;Kyung-Sun Kang
International Journal of Stem Cells
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v.15
no.1
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pp.85-94
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2022
Background and Objectives: Brain organoids have the potential to improve our understanding of brain development and neurological disease. Despite the importance of brain organoids, the effect of vascularization on brain organoids is largely unknown. The objective of this study is to develop vascularized organoids by assembling vascular spheroids with cerebral organoids. Methods and Results: In this study, vascularized spheroids were generated from non-adherent microwell culture system of human umbilical vein endothelial cells, human dermal fibroblasts and human umbilical cord blood derived mesenchymal stem cells. These vascular spheroids were used for fusion with iPSCs induced cerebral organoids. Immunostaining studies of vascularized organoids demonstrated well organized vascular structures and reduced apoptosis. We showed that the vascularization in cerebral organoids up-regulated the Wnt/β-catenin signaling. Conclusions: We developed vascularized cerebral organoids through assembly of brain organoids with vascular spheroids. This method could not only provide a model to study human cortical development but also represent an opportunity to explore neurological disease.
Journal of the Korean Institute of Intelligent Systems
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v.18
no.2
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pp.251-256
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2008
Many researchers are studying about human Brain-Computer Interface(BCI) that it based on electroencephalogram(EEG) signals of multichannel. The researches of EEG signals are used for detection of a seizure or a epilepsy and as a lie detector. The researches about an interface between Brain and Computer have been studied robots control and game of using human brain as engineering recently. Especially, a field of brain studies used EEG signals is put emphasis on EEG artifacts elimination for correct signals. In this paper, we measure EEG signals as human emotions and divide it into five frequence parts. They are calculated related the percentage of selecting range to total range. the calculating values are compared standard values by Bayesian Network. lastly, we show the human face avatar as human Emotion.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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