Calcium ions ($Ca^{2+}$) orchestrate numerous cellular mechanisms, with their concentration in a cell elaborately controlled in both spatial and temporal manners. A multifaceted and multidimensional regulatory toolset is thus particularly essential to explore this versatile and universal second messenger. Here, human pluripotent stem cell (hPSC) lines that consistently express optogenetic $Ca^{2+}$ modulator monSTIM1 were generated via CRISPR-Cas9-mediated genome editing. All established cell lines exhibited light-responsive increment of intracellular Ca2+ concentration ([$Ca^{2+}$]i), which was reversibly controllable in accordance with the presence or absence of the light. I hypothesized that by differentiating monSTIM1-kncokin hPSCs into multiple lineages, it can be widely utilized for studies on biological mechanisms relevant to $Ca^{2+}$. In $ \beta$-cells of pancreatic islet-like organoids derived from monSTIM1 transgenic human embryonic stem cells (hESCs), as in the PSC stage, [$Ca^{2+}$]i transients were induced temporarily in response to the episodic irradiations. Transgenic $ \beta$-cells were then capable of releasing secretory insulin vesicles upon light illumination, which was quantitatively parallel to the insulin secretion provoked by a normal secretagogue, glucose. Moreover, monSTIM1 transgenic induced pluripotent stem cells (iPSCs) originated from neonatal diabetes (ND) patients were also successfully differentiated into pancreatic organoids, and thereby the feasibility of the system for further clinical applications was verified. Concurrently, neural progenitor cells (NPCs) differentiated from monSTIM1 transgenic hESCs exhibited light-inducible $Ca^{2+}$ influx as well, and the resulting [$Ca^{2+}$]i transient reversibly activated either of the two archetypal transcription factors downstream of $Ca^{2+}$, NFAT or CREB. Based on these observations altogether, I demonstrate the practicality of this gain-of-function cellular model encompassing the versatility and universality of $Ca^{2+}$, which, therefore, is expected to be exploitable in multidisciplinary studies.
칼슘 이온은 단일 이온으로써 다양한 생물학적 과정의 제어에 관여하는 다기능성 이차신호전달물질로, 이에 관한 연구를 위해서는 세포내 칼슘 이온 농도의 다면적, 다차원적 조절을 위한 수단이 필수불가결하다. 본 연구에서는 CRISPR-Cas9 유전자가위 기술을 이용하여 광유전학적 칼슘 이온 농도 조절 인자인 monSTIM1을 일관되게 발현하는 인간 전분화능 줄기세포주를 복수 구축하였다. 확립된 모든 전분화능 줄기세포주들은 빛 자극 유무에 따라 칼슘 이온을 일시적, 가역적으로 유입시킬 수 있었으며, monSTIM1 형질전환 인간배아줄기세포로부터 유래한 췌도 유사 오가노이드의 베타 세포, 그리고 신경 전구 세포 내에서 또한 마찬가지의 현상을 유도해 낼 수 있었다. 이후 monSTIM1 형질전환 베타 세포에 빛을 조사함으로써 인슐린 소포의 분비를 유발할 수 있었으며, 이는 고농도 포도당 자극에 의해 매개된 인슐린 분비와 정량적으로 유사하였다. 나아가 monSTIM1이 도입된 신생아 당뇨 환자 유래 역분화줄기세포 또한 췌도 유사 오가노이드로 분화될 수 있음이 확인되어, 자가 세포이식 치료제로써의 본 세포 모델의 잠재적 활용 가능성을 제시하였다. 이와 더불어 광 유도성 일시적 칼슘 이온의 유입을 통해 신경 전구 세포 내 대표적 칼슘 이온 신호전달계인 NFAT 혹은 CREB 신호전달계를 가역적으로 활성화시킬 수 있음이 확인되었다. 종합적으로, 이러한 실험적 결과들은 본 연구를 통해 제작된 기능 획득 (gain-of-function) 세포 모델의 다목적, 다방면적 활용 가능성을 시사한다.
