Development of retinal tissue is a coordinated process of retinal progenitor cell (RPC) proliferation and neuronal differentiation. Intracellular signaling events that regulate the balance between RPC proliferation and neuronal differentiation, therefore, determine the size and composition of nervous tissues. The PI3K-Akt signaling pathway plays key roles in proliferation, differentiation and survival by cell context dependent manner. In my PhD. thesis, I have demonstrated that phosphoinosite 3-kinase (PI3K)-Akt signaling plays a pivotal role in proliferation, maintenance, and neuronal differentiation of RPCs. I found that RPCs lacking phosphatase tensin homologue ( Pten ) gene, not only undergo hyperproliferation, but also complete neurogenesis earlier than their normal developmental schedule, resulting in their premature depletion in the mature retina. I further discovered that premature differentiation and precocious depletion of Pten-deficient RPCs are partially driven by negative correlation between Akt and Notch signaling. Notch intracellular domain (NICD) fails to form transcription activator complex in Pten-deficient RPCs, and thereby unable to support RPC maintenance.
I, next, inverstigated functions of mTOR in retinal development, which is a downstream target of Akt regulating proliferation, cell growth and metabolism. RPCs deficient with Tsc1 gene, a negative regulator of mTORC1, divide faster than normal cell cycle leading to earlier neuronal differentiation. The accelerated cell cycle progression of Tsc1 deficient RPCs is derived by regulated turnover of cyclin B1, which is essential for G2/M cell cycle transition. Morevoer, not only differentiation but also functional maturation of retinal neurons including axon targeting and spontaneous firing of ganglion cells, and synaptic development of retinal neurons are accelerated in Tsc1 cKO retina.
Finally, I discovered non-cell autonomous functions of mTORC1 in astrocyte development and consequent retinal blood vessel formation. In contrast to the gliosis of activated astrocytes in Tsc1 cKO retina later than post-natal day 14 ( P14 ), differentiation of migrating astrocyte precursor cells in early postnatal period is delayed in Tsc1 cKO retina, accordingly resulting in retarded vascularization. I showed that the hypovascularization in Tsc1 cKO retina results from delayed differentiation of astrocytes coupled with slow onset of vascular endothelial growth factor ( VEGF ), a potent stimulator for angiogenesis.
Together, I propose two divergent PI3K-Akt signaling pathways that mediate Notch and mTORC1. The PI3K-Akt inhibits Notch signaling to promote neuronal differentiation of post-mitotic RPC daughter cells, whereas it activates mTORC1 for accelerating cell cycle progression of RPCs and consequent neuronal differentiation. Finally, I revealed non-cell autonomous functions of mTORC1 in astrocyte development and blood vessel formation. Collectively, my work provides evidences that PI3K-Akt signaling pathway plays key roles in retinal development by coordinating neuronal differentiation and functional maturation.
망막 조직의 발생은 잘 짜여진 망막 progenitor cell ( RPC ) 의 분열과 신경분화 과정에 의해 이뤄진다. 이때 RPC 의 분열과 분화를 조절하는 2가지 factor 가 망막 발생에 중추적인 역할을 한다고 알려져 있다. 하나는 세포에 내재된 유전적 프로그램에 의해 유발되는intrinsic factor로서 세포의 유전자 발현 프로파일을 조절하고, 다른 하나는 주변환경에서 오는 extracellular cue 로서 직접 혹은 수용체를 통한 신경전달체계를 이용해 세포 내로 메시지를 전달한다. 이렇게 망막 발생에 작용하는 다양한 extracellular cue 들이 RPC 에서 해석되는 과정에서 여러 종류의 세포 내 신호전달체계가 기능한다고 알려져 있는데, 그 중에서 본 연구를 통해PI3K-Akt 신호전달체계가 망막 발생에서 RPC 의 분열과 유지, 신경세포 분화 에 핵심적인 역할을 담당한다는 것을 밝혔다. Akt 신호전달체계는 다양한 하위인자의 활성을 조절하여 기능한다는 사실이 보고되었고, 특히 본 연구를 통해 망막발생에서 Notch 신호전달체계를 조절함으로써 RPC를 유지시키는 기능과 신경세포를 분화시키는 기능을 조절한다는 사실을 확인하였다. 저자는 Akt 의 활성이 Notch intracellular domain ( NICD ) 의 전사복합체 형성을 방해함으로써 Notch 신호전달체계의 활성을 억제한다는 사실을 밝혔다. 또한, Notch 신호전달체계와의 상관관계뿐만 아니라 mTOR 신호전달체계를 활성화시킴으로써 Akt 신호전달체계가 망막발생에 기여한다는 사실을 확인하였다. Akt 신호전달체계는 mTOR 신호전달체계를 활성화 시킴으로써 RPC 분열을 촉진할 뿐만 아니라 RPC의 세포주기가 더 빠르게 진행되도록 촉진시킨다는 것을 확인하였다. 이것은 mTORC1 activity 가 cyclinB1 의 생성과 소멸 주기를 가속화시켜 RPC 의 세포 주기 중G2/M 기 진행을 촉진시킨다는 것을 밝혔다. 더 나아가 mTOR 신호전달체계는 생성된 신경세포가 기능적으로 성숙되는 과정에서도 중요한 역할을 한다는 사실을 관찰하였다. 마지막으로 망막 신경세포의 mTOR 신호전달체계는 망막 신경세포의 발생뿐만 아니라 non-cell autonomous 방식으로 망막의 애스트로사이트 ( astrocyte )와 혈관 발생을 조절한다는 사실을 발견하였다.
