Protective effect of heat shock protein 27 using protein transduction domain-mediated delivery on ischemic heart injury

Abstract

[한글]

열충격 단백질 (hsp)은 대부분의 생명체에 존재하는 단백질로 세포 내외부의 자극에 대한 보호 기능과 다른 단백질들의 폴딩과 이동에 중요한 역할을 한다고 알려져 있다. 이중 분자량이 27 kDa인 열충격 단백질 27 (hsp27)은 세포사멸을 초래하는 다양한 스트레스에 의해 전달되는 세포사멸 경로를 억제함으로써 세포를 보호하는 대표적인 단백질이다. 동물세포나 조직에서 허혈, 고혈당, 활성산소 등의 세포독성을 초래하는 자극에 대해 hsp27의 유전자 전달 방법에 의한 과발현으로 이들 자극으로 인한 세포사멸의 억제 기능에 대한 많은 연구결과가 보고되어 왔다. 본 연구에서는 생체물질 전달 시스템중의 하나인 단백질 전달 도메인 (protein transduction domain, PTD)을 이용하여 hsp27 단백질을 심장세포와 조직에 전달하여 그 효능을 관찰하였다. 사람의 hsp27 cDNA을 얻은 후 단백질 전달 도메인 Tat-PTD에 융합하여 재조합 단백질 Tat-hsp27을 제조하였다. Immunoblot, 면역 형광염색법으로 Tat-hsp27의 세포 내 전달 효율을 분석한 결과 대부분의 세포에 빠른 시간 내에 전달되었다. 심근유래 세포인 H9c2 세포 안으로 전달된 Tat-hsp27 단백질에 의해 저산소 자극에 대한 세포 사멸이 억제되었고 세포고사의 주요 경로인 caspase-3의 활성이 현저히 감소됨을 관찰하였다. 설치류 좌하행지 관상동맥 결찰 모델 (rat left anterior descending coronary artery ligation model)을 제작하여 1주일간 Tat-hsp27을 복강 내 주사하고 심장 조직을 조직학적 방법을 통해 분석한 결과, 심근 경색의 크기가 대조군에 비해 현저히 감소되었다. 본 연구결과를 통하여 치료 목적 단백질을 단백질 전달 도메인과의 융합 단백질로 제조하여 생체에 전달함으로써 단백질 치료의 새로운 방법으로 응용할 수 있는 가능성을 제시하였고, 특히 이 방법은 목적 단백질의 전달 효율과 빠른 전달 시간 등의 장점을 갖고 있어 심근경색 등의 급성 질환에 매우 효과적인 치료 방법으로 이용될 수 있을 것으로 사료된다.

[영문]Heat shock proteins (HSPs) provide one kind of defense against stresses such as high temperature, hypoxia/ischemia and oxidative stress in all mammalian cell types. One such protein which is highly induced during the stress response is hsp27, and its expression is correlated with the cellular survival in response to cytotoxic insults. Recent studies have been established that the overexpression of hsp27 protects against cell death triggered by a variety of stimuli including ischemia/reperfusion, hyperthermia, and various cytotoxic agents. Previous findings have suggested that augmentation of the heat shock response by increasing the expression of hsp27 represents a potential therapeutic strategy for the treatment of critically ill patients. In this study, using protein delivery approach, we studied the potential cardiac protective effect of hsp27 as a therapeutic protein in rat cardiac myoblast H9c2 cells and rat LAD ligation model of focal ischemia. Human hsp27 cDNA was cloned and fused with a gene fragment encoding the basic domain from HIV-1 Tat protein called the protein transduction domain (PTD). Then, the efficiency of transduction of the resulting Tat-hsp27 fusion protein into H9c2 cells was analyzed. The Tat-hsp27 fusion protein was efficiently delivered to H9c2 cells, and its transduction showed cytoprotective effect against the hypoxic stress. Moreover, transduction of Tat-hsp27 also attenuated hypoxia-induced apoptosis, which was accompanied by reduced caspase-3 activity. In addition, intraperitoneal injection of Tat-hsp27 into rat resulted in efficient protein transduction in heart tissues within 2 hr, and decreased cardiac infarction, as determined at 7 days after focal ischemia. These experimental findings suggest that the PTD-mediated delivery of therapeutic proteins may represent a novel strategy of protein therapy.