A transgenic mouse for imaging activity-dependent dynamics of endogenous Arc mRNA in live neurons

Authors: Sulagna Das, Hyungseok C. Moon, Robert H. Singer, Hye Yoon Park

Activity-regulated cytoskeleton-associated protein (Arc)는 장기기억형성에 필수적인 유전자로 알려져 있다. 특히 Arc 유전자의 mRNA는 활발한 신경활동을 겪은 뉴런에서 생성되고, 한 뉴런 내에서도 신경활동이 활발하게 일어난 위치로 이동하는 중요한 특징들을 가지고 있다. 하지만 기존의 방법들로는 살아있는 세포 상태에서 Arc mRNA를 관찰할 수 없었고, 세포를 박제시키는 과정이 필수적이었다. 서울대 물리천문학부 박혜윤 교수 연구팀은 Pseudomonas phage PP7에서 존재하는 RNA와 단백질 쌍의 강하고 특이적인 결합력을 이용하여, 살아있는 세포에서 Arc mRNA를 단 분자 수준으로 실시간 관찰할 수 있는 유전자 조작 쥐 (Arc-PBS mouse)를 개발하였다. 이 기술을 이용하여, 활성화된 전사인자 양에 따라 일부의 뉴런들만 선택적으로 Arc mRNA를 생성한다는 것을 보였고 또한 Arc mRNA의 배송과정에서 신경활동은 그 움직임에 큰 영향을 미치지 않는다는 것을 밝힐 수 있었다. 본 연구는 배양된 뉴런뿐만 아니라. 기억 형성과정을 거치고 있는 개체의 실제 뇌에서 특이적으로 활성화되는 기억흔적뉴런들을 찾기 위한 연구의 초석이 될 것으로 예상된다.

Localized translation plays a crucial role in synaptic plasticity and memory consolidation. However, it has not been possible to follow the dynamics of memory-associated mRNAs in living neurons in response to neuronal activity in real time. We have generated a novel mouse model where the endogenous Arc/Arg3.1 gene is tagged in its 3'UTR with stem loops that bind a bacteriophage PP7 coat protein (PCP), allowing visualization of individual mRNAs in real time. The physiological response of the tagged gene to neuronal activity is identical to endogenous Arc and reports the true dynamics of Arc mRNA from transcription to degradation. The transcription dynamics of Arc in cultured hippocampal neurons revealed two novel results: i) a robust transcriptional burst with prolonged ON-state occurs after stimulation, and ii) transcription cycles continue even after initial stimulation is removed. The correlation of stimulation with Arc transcription and mRNA transport in individual neurons revealed that stimulus-induced Ca2+ activity was necessary but not sufficient for triggering Arc transcription, and blocking neuronal activity did not affect the dendritic transport of newly synthesized Arc mRNAs. This mouse will provide an important reagent to investigate how individual neurons transduce activity into spatiotemporal regulation of gene expression at the synapse.

http://advances.sciencemag.org/content/4/6/eaar3448