Lipopolysaccharide from Pseudomonas aeruginosa induces MUC5AC gene expression via Gaq-coupled P2Y2 receptor and its pathway is regulated negatively by RGS4 in human airway epithelial cells

Abstract

[한글]

기도 상피에서 점액 과분비는 천식, 만성 기관지염, cystic fibrosis 등의 수많은 호흡기계 질환의 공통적인 특징이다. 호흡기계는 박테리아나 공해 등의 많은 외부 자극에 노출되어 있기 ？문에 Staphylococcus aureus이나 Pseudomonas aeruginosa과 같은 주요 병원균에 의한 점액 분비 기전을 밝히는 것은 매우 중요하다. 본 연구에서는 독소에 의한 점액 유전자의 발현의 세포내 신호 전달 경로와 조절에 대해 연구하였다. 먼저, P. aeruginosa로부터 추출한 lipopolysaccharide는 세포내 ATP분비를 유도하였으며, 분비된 ATP는 세포외로 이동하여 세포에 염증반응을 자극하였다. 또한, 외부의 ATP의 유입은 NCI-H292 cells에서 G q-coupled P2Y2 수용체를 통하여 MUC5AC 유전자 발현을 증가시켰다. PLC 3와 Akt 그리고, ERK1/2 혹은 p38 중 하나의 dominant-negative mutants에서는 ATP에 의한 MUC5AC 유전자 발현을 억제하였다. 흥미롭게도 regulator of G-protein signaling 4 (RGS4)는 G q와 RGS4 단백질에 있는 RGS domains과 상호 작용을 하여 ATP에 의한 MUC5AC 유전자 발현을 억제하였다. RGS4 knocked down siRNA에서는 ATP에 의한 P2Y2 수용체의 활성화를 억제하였으며, 이는 RGS4가 ATP에 의한 P2Y2 수용체의 활성화를 억제하는 작용을 하는 것으로 추정되었다. 결론적으로, P. aeroginosa로부터 추출한 lipopolysaccharide는 ATP분비를 증가시키며, 분비된 ATP는 P2Y2/G q/PLC 3/Akt/ERK1/2 혹은 p38 MAPK 경로를 통해 MUC5AC 유전자 발현을 증가시키며, RGS4는 GTPase 활성화를 통하여, 신호 전달을 억제하였다. 이 결과는 점액 유전자 발현의 억제 조절의 기전에 새로운 지식을 제공하며, 염증 반응에서 점액 과분비의 이해를 증진시킬 것으로 생각된다.

[영문]Mucus hypersecretion by airway epithelium is a major characteristic of a number of respiratory diseases, including asthma, chronic bronchitis, and cystic fibrosis. Because the respiratory tract is highly exposed to many external stimulants such as bacteria or air pollution, it is important to clarify the mechanism by which major pathogens like Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa increase mucus secretion. We examined the intracellular signal transduction pathway and regulation of toxin-induced mucin gene expression. First, lipopolysaccharide from P. aeruginosa induced intracellular ATP secretion, and secreted ATP is released extracellular to stimulate cells for inflammatory response. Moreover, we found that treatment with exogenous ATP resulted in the induction of MUC5AC gene expression in NCI-H292 cells, due to the activation of G q-coupled P2Y2 receptors. In addition, the overexpression of dominant-negative mutants of PLC 3, Akt, and either ERK1/2 or p38 signaling suppressed ATP-induced MUC5AC gene expression. Interestingly, regulator of G-protein signaling 4 (RGS4) inhibited ATP-induced MUC5AC gene expression by interacting between the G q and RGS domains in the RGS4 protein. RGS4 knocked down siRNA-enhanced ATP-induced activation of the P2Y2 receptor, suggesting that RGS4 may act as a suppressor of ATP-induced activation of the P2Y2 receptor. In conclusion, lipopolysaccharide from P. aeroginosa induces ATP secretion, and then ATP promotes MUC5AC gene expression via a sequential P2Y2/G q/PLC 3/ Akt/ERK1/2 or p38 MAPK pathway, while RGS4 attenuates its signaling cascade by GTPase activation. These results give additional insights into the molecular mechanism of negative regulation of mucin gene expression and enhance our understanding of mucus hypersecretion during inflammation.