Roles of protease-activated receptor 2 in epidermal permeability barrier function

Abstract

[한글]

Protease-activated receptor (PAR)는 G-단백질 수용체의 일종으로서, 세포막 외부에 존재하는 특정한 펩타이드 서열이 단백질 분해효소에 의하여 절단되면서 나타나는 활성화 펩타이드에 의하여 스스로 활성화되는 독특한 기전을 나타내는 수용체이다. 최근, 동물 모델을 이용한 실험을 통하여 이러한 PAR-2 수용체가 표피투과장벽의 항상성 유지에 중요한 역할을 하며, 특히 PAR-2 수용체에 대한 활성화제가 급성투과장벽 손상 후 회복과정을 지연하는 것이 보고된 바 있다. 또한, 아토피 피부염 병변에서 단백질 분해효소의 활성이 정상 피부에 비하여 매우 높아져 있다는 점에서, 이렇게 증가된 단백질 분해효소에 의한 PAR-2 수용체의 활성화가 아토피 피부염의 병인으로서 작용할 수 있다는 가설이 제시되고 있다. 바퀴벌레나 진드기 유래의 알레르겐은 천식이나 알레르기성 비염, 아토피 피부염과 같은 알레르기성 질환과 밀접하게 연관되어 있으며, 최근의 연구 결과에 따르면 이러한 알레르겐이 PAR-2 수용체를 활성화하는 것으로 보고되고 있다. 따라서 본 연구에서는 바퀴벌레와 진드기 알레르겐이 표피투과장벽에 미치는 영향과 표피 내 칼슘 이온 기울기에 미치는 영향을 관찰하고자 하였다. 표피투과장벽을 급격히 손상시킨 후, 알레르겐을 도포한 결과, 정상인의 피부와 동물 모델에서 경피수분손실의 회복이 저해되는 것이 관찰되었다. 또한, 알레르겐을 피부에 도포한 경우, 표피 내 단백질 분해효소의 활성이 증가되는 소견도 관찰되었다. 표피투과장벽 회복의 저해는 과립층과 각질층 간 층판소체의 분비가 저해되어 나타나는 것으로 전자현미경 소견 상 관찰되었다. PAR-2 수용체에 대한 저해제를 이용한 실험 결과, 알레르겐이 경피투과장벽에 미치는 효과가 PAR-2 수용체의 활성화에 의한 것임을 확인할 수 있었다. 또한, 단백질 분해효소의 저해제를 이용하거나, 각질층의 pH를 낮춤으로서 이러한 알레르겐의 효과를 억제할 수 있음을 관찰하였다. 배양된 각질형성세포를 이용한 실험 결과, 알레르겐이 세포 내 칼슘 이온의 농도를 증가시키는 것을 관찰하였고, 이러한 세포 내 칼슘 이온의 변화는 동물 모델에서 표피 내 칼슘 이온 기울기의 변화를 관찰함으로써 in vivo에서도 측정되었다. 이상의 결과를 종합할 때, 바퀴벌레나 진드기에서 유래한 알레르겐은 표피 내 PAR-2 수용체를 활성화하고, 표피 내 칼슘 이온 기울기를 변화시킴으로써 표피투과장벽에 영향을 미치는 것으로 결론지을 수 있었다. 또한, 단백질 분해효소를 동시에 도포하거나, 각질층 내 pH를 조절함으로써 이러한 알레르겐의 효과를 억제할 수 있었으며, PAR-2 수용체에 대한 저해제를 사용함으로써 알레르겐의 효과를 억제할 수 있음을 확인하였다.

[영문]

Protease-activated receptor (PAR) belongs to a subfamily of seven-transmembrane G-protein-coupled receptors, which are distinguished by a unique mechanism of self-activation following specific proteolytic cleavage of their extracellular domains. Recently, it was reported that the PAR-2 activator peptide significantly delayed epidermal permeability barrier recovery after acute barrier disruption in murine skin. Previous studies also showed an increased protease activity in atopic dermatitis lesions, and it has been postulated that PAR-2 activation by protease could be a pathophysiologic factor for atopic dermatitis. Cockroach and house dust mite allergens, both known to be associated with the development of asthma, allergic rhinitis, as well as atopic dermatitis, can activate PAR-2 and thereby affect epidermal permeability barrier homeostasis. In this study we investigated the effects of both allergens on the epidermal barrier function, as well as on epidermal calcium gradient. Both allergens, when topically applied on the barrier-disrupted site, increased protease activities in viable epidermal layers and delayed permeability barrier recovery and lamellar body secretion in murine skin. Topical application of PAR-2 specific antagonist with cockroach allergens normalized the barrier recovery rate, which suggests that PAR-2 activation is involved in barrier recovery process. Either co-application of the protease inhibitor or controlling the skin surface pH at its normal acidic range, both can modulate the protease activity of allergens, also prevented the retardation of barrier recovery rate by allergens. Cockroach allergens induced intracellular calcium oscillations in cultured human keratinocytes in vitro through PAR-2 involved pathway, which was confirmed by desensitization protocol. Abnormal calcium ion distribution after barrier disruption was also observed in allergens-applied skin. These results suggest that allergens with PAR-2 activating activity can influence the epidermal permeability barrier homeostasis through modulation of the intracellular calcium concentration in stratum granulosum keratinocytes and modulation of protease activities with either co-application of protease inhibitors or controlling skin surface pH within its normal acidic levels can normalize this barrier retardation.