Mechanism for generations and actions of reactive oxygen species in cell death induced by serum withdrawal

Abstract

[한글]

활성산소는 다양한 외부자극에 의해 생성되고 세포내 신호전달 매개체로 작용을 한다고 알려져 있지만 활성산소의 작용기작에 대해서는 많은 보고가 있는 반면, 활성산소의 생성에 관련된 기작은 아직 연구가 미흡하게 보고 되고 있다. 본 연구에서는 기존에 보고된 human U937 cell에서 활성산소를 매개체로 세포사멸을 유도하는 혈청제거 모델 시스템을 사용하여 활성산소 생성에 관련된 신호전달 매개체를 조사하였다. 그 결과 phosphoinositide 3-kinase (PI3K) 활성이 혈청제거시 유도됨이 관찰 되었으며, PI3K와 활성산소는 상호간에 mutual interaction을 통해 세포내 활성산소의 level을 더욱 증폭시키는 관계임을 알수 있었다. 또한 혈청제거에 의해 유도된 활성산소가 매개하는 신호전달 매개체를 알아보기 위해서 human U937 cell에서 산화적인 스트레스 반응이 stress-activated protein kinase/cJun N-terminal kinase (SAPK/JNK) 와 NF-κB를 활성화 할수 있다는 기존의 보고에 근거하여 SAPK/JNK와 NF-κB를 조사하였다. 그 결과 혈청제거에 의해 활성화된 SAPK/ JNK와 NF-κB는 세포사멸 과 세포생존의 기능을 각각 하고 있으며 활성산소/PI3K에 의해 매개됨을 확인할수 있었다. 혈청제거에 의해 유도된 활성산소는 PI3K, SAPK/JNK and NF-κB를 모두 활성화 시키므로 H2O2 농도에 대한 그들의 sensitivities를 비교 분석을 하였다. 그 결과 SAPK/JNK 활성화는 PI3K and NF-κB의 활성화 보다 더 높은 H2O2 농도가 요구됨을 알수 있었다. 또한 혈청제거와는 대조적으로 H2O2의 고농도는 SAPK/JNK and NF-κB을 활성화 시키기 위해 PI3K의 활성을 요구하지 않음을 보였다. 이 모든 연구결과를 종합하면 활성산소는 PI3K에 의해 더 증폭이 되며SAPK/JNK 의존적인 세포사멸 과 NF-κB 매개된 세포생존의 두 반대의 경로를 동시에 유도함을 제시하고 있다. 이러한 결과를 토대로, 다양한 세포사멸 자극에 의해 유도되는 활성산소의 생성과 작용을 이해함에 있어서 중요한 연구가 되리라 기대된다.

[영문]Reactive oxygen species (ROS) can be generated following cell stimulation and function as intracellular signaling molecules. To determine signaling components involved in the ROS induction, human U937 monocytic cells grown in 10% serum were exposed to serum-free media. It was previously reported that serum withdrawal (SW) killed the cells by elevating cellular ROS levels. This study showed that SW activates phosphoinositide 3-kinase (PI3K). PI3K activation was evident after the ROS levels began increasing, and an antioxidant blockade of this increase resulted in PI3K activation suppression. Interestingly, the inhibition of PI3K activity/activation using either its specific inhibitor or dominant negative mutant attenuated the subsequent additional increase in the ROS levels. These results suggest that the SW-induced ROS activate PI3K, which in turn promotes the process leading to ROS accumulation. To determine signaling components acting downstream of ROS, the present study focused on stress-activated protein kinase/c-Jun N-terminal kinase (SAPK/JNK) and NF-κB. These two signaling components were activated in response to SW, which was abolished by either the ROS removal or the inhibition of PI3K activity/activation. Therefore, both ROS and PI3K appeared to act upstream of SAPK/JNK and NF-κB in this system. While SAPK/JNK was found to support the lethality by SW, the SW-responsive NF-κB was cytoprotective. Comparative analyses of NF-κB and SAPK/JNK for their responses to exogenous H2O2 revealed that the SAPK/JNK activation required much higher H2O2 concentrations than those required for NF-κB activation. In contrast to SW, high lethal concentrations of H2O2 did not require PI3K activity to activate NF-κB and SAPK/JNK in a PI3K-independent manner. The overall data suggests that ROS induce both the SAPK/JNK-dependent death and NF-κB-mediated survival pathways, and these inducer signals are amplified by PI3K in the SW-triggered signaling. As this amplification proceeds, cell death appears to be favored.