Determination of cell fate in multicellular organism is mediated by dynamic communication with their neighboring cells. Especially, the reciprocal communication between neurons and glial cells is essential for the proper development of nervous tissues. The ventral anterior homeobox 1 (Vax1) transcription factor has been known to control the development of ventral forebrain structures not only by facilitating glial fate of ventral optic neuroepithelium through transcriptional regulation of target genes autonomously, but also by regulating the axonal growth and migration of neurons in a non-autonomous manner. I found that Vax1 protein can be secreted out into extracellular space and then moved into the neighboring cells in vitro and in vivo. Intercellular transfer of Vax1 protein is mediated by trafficking of sphingomyelin-derived cholesterol-rich vesicles. Therefore, the intercellular trafficking of Vax1 is altered in mice lacking acidic sphingomyelinase (ASM) which decreases the vesicular concentration of sphingomyelin. I also discovered a novel extracellular function of Vax1 as growth factor for retinal ganglion cell (RGC) axon. Vax1 directly binds and promotes RGC axonal growth independent of its transcription factor activity. I found that Vax1-induced RGC axonal growth is mediated by heparan sulfate proteoglycans (HSPGs) including Syndecan and Glypican. Together, I propose a novel function of Vax1 that is secreted from glial precursor cells in the ventral and anterior parts of brain and binds to axons that cross midline of the brain. The results therefore explain the multiple defects on the development of midline structures of brain in human and mouse that lack VAX1 gene.
다세포 생명체의 발생 과정에서 세포 운명을 결정하는 것은 세포간의 역동적인 신호 전달을 통하여 일어난다. 특히, 신경 세포와 교질세포 사이의 상호적인 신호 전달은 제대로 된 신경 조직의 발달을 위해서 필수적이다. Vax1 전사 인자는 전뇌 아래쪽 부분의 발달에 관여 한다고 알려져 있다. 관여하는 방법은 Vax1이 전사 인자로서 Vax1이 발현하는 교질세포 안에서 자체적인 특정 유전자의 전사 조절을 통하여 배 쪽의 시신경 상피 조직의 교질 세포 운명을 결정하는 방법과 Vax1 단백질을 발현하지 않는 신경 세포의 이동 혹은 axon의 성장을 조절을 통하여 관여하는 방법이 있다. 본 연구를 통해 Vax1 단백질이 밖으로 분비되어 다른 세포 안으로 이동할 수 있다는 것을 체외 실험뿐만 아니라 실험 쥐의 체내 실험을 통해서도 밝혀냈다. 이러한 Vax1 단백질의 분비는 콜레스테롤이 풍부하게 있는 특징을 지닌 vesicle들과의 결합을 통하여 일어나고 실제로 이러한 콜레스테롤 풍부한 vesicle들이 lysosome에 쌓여 있는 현상을 보이는 ASM-KO 마우스의 경우, Vax1 단백질의 분비가 감소해 있는 것이 관찰 되었다. 본 연구에서는 Vax1 단백질의 세포간 이동 현상뿐만 아니라, 생체 내에서 Vax1의 이동 현상이 갖는 실제적인 기능 또한 연구 되었다. Vax1은 그것의 전사 조절 능력과는 상관없이 망막세포의 axon에 직접적으로 작용하여 axon의 성장을 촉진하는 것으로 관찰 되었다. 또한 이러한 Vax1의 작용에는 망막세포의 axon에 존재하는 HSPGs이라는 당단백질과의 결합이 중요하게 작용한다는 것이 밝혀졌다. 종합하여 보면, 본 연구를 통하여 아직 밝혀지지 않은 Vax1의 세포간 이동 현상을 밝혀냈고 이러한 이동 현상이 발생 과정에서 망막세포의 axon의 교차 현상에 관여한다는 것을 알아내었다.
