Uterine ERBB3 signaling is critical to cultivate stromal environment for functional gland branching

기술 요약: 자궁 ERBB3 신호 전달은 기능적 선 분지를 위한 기질 환경을 배양하는 데 결정적이다

문제 제 thống
착상 전 자궁 선(gland)의 분화는 광범위한 선 분지(branching)를 특징으로 하며, 이는 배아 착상을 위한 자궁 수용성을 확립하는 류코좀 억제 인자(LIF)의 분비에 필수적인 전제 조건이다. 전사 인자인 FOXA2가 선의 정체성과 LIF 생성에 필수적이라는 것은 알려져 있으나, 이러한 분화가 오로지 선 내부의 고유한 메커니즘에 의해서만 조절되는지, 아니면 주변 기질 미세환경과의 중간엽-상피 상호작용을 통해 영향을 받는지 여부는 여전히 불분명하다. 기존 연구들은 선 상피 세포 내의 조절 인자들을 식별해 왔으나, 착상 전 선 분지와 FOXA2 발현 유지를 지배하는 기질 신호 전달의 역할은 완전히 이해되지 않았다.

연구 방법
본 연구는 자궁 기능에서 표피 성장 인자 수용체 3(ERBB3)의 역할을 규명하기 위해 유전자 변형 마우스 모델, 3D 조직 이미징 및 멀티 오믹스 접근법을 결합하여 활용하였다:

• 유전 모델: 저자들은 자궁 내 기질 및 상피 구획 모두에서 Erbb3를 결실시킨 마우스(Erbb3^d/d, Pgr-Cre 사용)와 상피 특이적으로 Erbb3를 결실시킨 마우스(Erbb3^epi/epi, Ltf-Cre 사용)를 생성하였다. 또한, 하위 경로를 검증하기 위해 자궁 특이적으로 IGF1 수용체(Igf1r)를 결실시킨 마우스(Igf1r^d/d, Igf1r^f/f와 Pgr-Cre^+/−를 교배하여 생성)를 사용하였다.
• 표현형 분석: 임신 결과는 질 플러그(vaginal plug) 탐지와 착상 부위 시각화(Chicago Blue 염료)를 통해 평가되었다. 자궁 선 구조는 3D 이미징(3DISCO 조직 투명화)과 공초점 현미경을 사용하여 분지 형태 발생(branching morphogenesis)을 정량화하였다.
• 분자 프로파일링:
  • 단일 세포 RNA 시퀀싱 (scRNA-seq): 세포 유형 특이적 전사 변화와 세포 간 통신 네트워크를 식별하기 위해 임신 3일 차 자궁의 Erbb3^f/f 및 Erbb3^d/d 마우스를 대상으로 수행되었다.
  • 벌크 RNA-seq (Bulk RNA-seq): 차별 발현 유전자(DEG) 및 성장 인자 후보를 확인하기 위해 임신 3일 차 자궁에서 분리된 기질 세포를 대상으로 수행되었다.
  • 재분석: 공개된 scRNA-seq 데이터(GSA: CRA011266)를 CellChat을 사용하여 재분석함으로써 리간드-수용체 상호작용을 매핑하였다.
• 기능 분석: 면역 형광법, 웨스턴 블롯팅 및 정량적 PCR을 사용하여 주요 마커(FOXA2, LIF, p-AKT, Igf1)의 단백질 및 mRNA 수준을 평가하였다. 재조합 LIF 투여가 착상 실패를 회복시킬 수 있는지 확인하기 위해 외인성 LIF 투여 실험을 실시하였다.

주요 결과

1. 기질 ERBB3는 생식 능력에 결정적이다: 상피 특이적 Erbb3 결실(Erbb3^epi/epi)은 정상적인 생식 능력을 보였으나, 전반적인 자궁 결실(Erbb3^d/d)은 생존 출생률에서 약 70%의 실패율을 보였다. 이러한 불임은 배아의 결함보다는 착상 실패에 기인하였다.
2. 선 분지 결함 및 FOXA2 소실: Erb3^d/d 자궁은 착상 전 기간(4~5일 차) 동안 현저한 선 분지 감소를 나타냈다. 결과적으로, 이 선들은 FOXA2 및 LIF 발현이 유의하게 감소하였다. 특히, 사춘기 전 Erb3^d/d 자궁은 정상적인 선 형태와 FOXA2 발현을 보였는데, 이는 결함이 사춘기 이후에 발생하며 난소 호르몬 주기에 의존함을 시사한다.
3. LIF 부족만이 유일한 원인은 아니다: Erb3^d/d 자궁에서 LIF 수준이 감소하였음에도 불구하고, 외인성 재조합 LIF 투여는 착상 실패나 탈락막 형성(decidualization)을 회복시키는 데 실패하였다. 이는 ERBB3 결핍이 단순히 LIF 부족을 넘어 자궁 수용성의 더 광범위한 결함을 초래함을 시사한다.
4. 매개체로서의 기질 IGF1 식별: 3일 차 기질 세포의 전사체 프로파일링 결과, Erb3<^d/d 마우스에서 Igf1의 유의한 하향 조절이 발견되었다. 공공 데이터를 이용한 CellChat 분석은 기질 세포가 IGF1을 분비하여 상피의 IGF1R을 활성화하는 일방향성 파라크라인(paracrine) 신호 축을 확인하였다.
5. IGF1R 결실에 의한 표현형 모사: 자궁 특이적 Igf1r 결실(Igf1r^f/f Pgr-Cre^+/− 암컷)은 Erb3^d/d 자궁에서 관찰된 선 분지 결함을 재현하였다. 그러나 Erb3^d/d와 달리, Igf1r 결실은 FOXA2 발현을 감소시키지 않았으며, 이는 ERBB3가 (IGF1 의존적 분지 및 IGF1 비의존적 FOXA2 유지라는) 두 가지 메커니즘을 통해 선을 조절함을 시사한다.
6. 신호 전달 경로: 본 연구는 자궁 ERBB3 결실이 상피 세포의 AKT 인산화(p-AKT) 감소로 이어진다는 것을 입증하였으며, 이를 통해 기질 ERBB3 신호가 상피의 IGF1R-AKT 활성화에 필수적인 선 분지를 유도함을 연결하였다.

주요 기여

• 본 논문은 상피 ERBB3가 아닌 기질 ERBB3 신호 전달이 착상 전 자궁 선의 분지 및 기능의 핵심 조절자임을 확립하였다.
• 특정 기질-상피 파라크라인 축(ERBB3 → 기질 IGF1 → 상피 IGF1R)이 선의 형태 발생을 구동함을 식별하였다.
• 선 분지를 조절하는 메커니즘(IGF1R 의존적)과 선 세포의 정체성 유지/FOXA2 발현(ERBB3 의존적, 잠재적으로 IGF1 비의-독립적) 사이의 차이를 구분하였다.
• 기질 미세환경이 생식 주기 동안 선 상피 세포의 전사적 정체성(FOXA2)을 유지하는 데 필수적이라는 증거를 제공하였다.

의의 및 주장
저자들은 본 연구의 결과가 ERBB3가 ERBB3-IGF1-IGF1R 신호 경로를 통해 선 분지와 배아 착착상을 조절한다는 것을 보여준다고 주장한다. 그들은 기질 환경이 단순히 수동적인 지지체가 아니라 상피 분화와 정체성의 능동적인 조절자라고 상정한다. 본 연구는 Erb3^d/d 암컷에서의 착상 실패가 LIF 생성 감소와 LIF만으로는 회복할 수 없는 더 광범위한 기질-상피 통신 결함을 포함하는 다요인적 과정임을 강조한다. 이 작업은 초점을 내인성 상피 인자에서 성장 인자 신호 전달에 의해 매개되는 결정적인 기질-상피 상호작용으로 전환함으로써 자궁 선 형태 발생에 대한 이해를 진전시킨다.