To regulate cellular functions, many biological substances like hormones, growth factors and cytokines mediate proper cellular processes. Especially in the brain, neurotrophins are well-known to be key regulators in nervous system for the cell survival, differentiation and neuronal growth. Each neurotrophin bind to its specific Trk (tropomyosin-related kinase) receptor to mediate intracellular signaling pathways.
In chapter 1, I introduce optoTrk, a new optogenetic technique to activate neurotrophin receptors with simple blue-light (488 nm) stimulation. The light-interacting module based on Arabidopsis thaliana cryptochrome 2 has homo-interacting property, used for engineering photoactivatable Trk receptors. Illumination of light efficiently activates canonical Trk downstream signaling pathways. A single light triggers transient signaling activation, reversibly reactivated with repetitive light stimuli. Moreover, the light-activated processes are tightly regulated with high spatiotemporal precision. OptoTrk system offers an effective way to control its receptor activities and experimental opportunities to study diverse biological processes both in vitro and in vivo.
In chapter 2, I introduce the importance of actin waves in neuronal polarization. By activating TrkB receptor at growth cone area specifically with optoTrkB system, I found F-actin rich waves formed at somatodendritic region and moving toward the neurite tip. Light-mediated local TrkB activation at growth cone area initiates actin wave formation and following neurite elongation. Rearrangement of actin pool was emerged from local TrkB activation to cause F-actin accumulated waves and even growth cone induction at the stimulated neurite. Additionally, this local activation of TrkB receptor at growth cone brought about accumulation of developmentally regulated protein E (drebrin E) that found mostly in growing axons. Also, axon specific proteins such as End-Binding Protein 3 (EB3) and synaptophysin changed their orientation as recruited in the TrkB activated neurite specially. Thus, local TrkB activated signaling increase F-actin rich waves from altering actin balance to determine axonal fate in neuronal development.
세포 내 역동적인 과정을 이해하기 위해 광 유전학 기술을 도입하여 신경영양인자 수용체의 활성을 조절할 수 있는 기술을 개발했다. 이 기술은 빛에 반응하여 복합체를 형성하는 크립토크롬 단백질에 기반을 둔다. 따라서 신경세포에 어떠한 작용 물질의 처리 없이 단순히 빛으로 순간적으로 수용체의 활성 유도가 가능하다. 앞서 개발한 기술로 실제 살아있는 신경세포가 발달하는 과정 속에 신경영양세포수용체의 새로운 기능을 찾았다. 배양한 신경세포는 시간이 지남에 따라 극성을 띄는 세포로 발달하게 되는데, 그 과정 속에 신경세포가 갖는 구조적인 특이성인 하나의 축삭과 여러 개의 수상돌기가 형성된다. 발달이 끝나기 전 특징적으로 광유도-수용체를 이용하여 그 활성을 유도한 결과 파의 형태로 액틴 중합체가 밀집된 형태로 세포체에서 수상돌기 말단까지 형성되어 나오는 현상을 발견하였고, 특정 신경 돌기의 길이를 빠르게 증가시켜 신경세포가 갖는 특이적인 모습으로 발달시키는데 중요하게 관여하고 있음을 밝혔다.
