Regulation of MUC5AC expression by hypoxia in human airway epithelia

Abstract

[한글]저산소 환경은 부비동 질환의 주요한 병리 기전의 하나이며 부비동 질환이 발생하면 MUC5AC, MUC5B 등의 점액 발현이 증가 되는 것으로 알려져 있다.

HIF-1 (hypoxia-inducible factor-1) 은 잘 알려진 전사인자로서 저산소 환경에서 erythropoietin이나 endothelial growth factor 등 유전자의 전사를 활성화 시킨다. 이 전사인자는 특정 유전자의 promotor에 있는 HRE (hypoxia-response element) 에 결합하는데 MUC5AC promoter에는 HRE와 유사한 부위가 존재한다. 이 연구의 목적은 저산소 환경에서 MUC5AC promotor에 존재하는 HRE 유사부위가 실제로 HIF-1에 반응하는 enhancer로서 역할을 하여 MUC5AC 유전자의 활성을 증가시키는지 알아보는 것이다.

본 연구에서 사람 코점막 상피세포를 저산소 환경에 두었을 때 MUC5AC의 mRNA 및 protein 발현이 증가하였고 HIF-1α의 protein 발현이 증가되었다.

사람 폐점액상피암주 (NCI-H292) 에 HIF-1α를 가진 mammalian vector를 삽입할 때 정상 산소 환경에서도 MUC5AC의 mRNA가 증가되었고 MUC5AC promotor에 대한 luciferase assay에서 저 산소 환경에서 luciferase 활성도가 증가하였으며 MUC5AC내의 HRE 유사부위가 mutation이 되었을 때는 luciferase 활성도가 증가하지 않았다.

결론적으로 MUC5AC내의 HRE 유사부위는 HIF-1α가 결합하는 enhancer로서 저산소 환경시 MUC5AC 유전자의 발현을 증가시키는 작용을 할 수 있다. 이는 저산소 환경이 사람 기도상피에서 MUC5AC 점액분비를 조절하여 부비동 질환등 상기도 질환의 병리기전이 될 수 있음을 시사한다

[영문]Hypoxia due to occlusion of sinus ostium is one of the major pathologic mechanisms of the sinusitis. In sinusitis, the expression of mucin genes such as MUC5AC, MUC5B is increased. Hypoxia-inducible factor 1 (HIF-1) is well known transcriptional factor, which induces cell response to the hypoxic condition and activates the transcriptions of several genes, such as erythropoietin and vascular endothelial growth factor. This transcriptional factor binds to the hypoxia-response element (HRE) in the promoter of certain target gene. A similar sequence to hypoxia-response element is also found in the promoter of MUC5AC, which is major mucin gene in the airway.

The aim of this study is to identify if hypoxia upregulates MUC5AC expression by binding of HIF-1α to putative HRE on the promoter of MUC5AC gene.

Here we show that the expression of mRNA and secreted protein of MUC5AC according to increased expression of HIF-1α protein as a fuction of time under hypoxia in normal human nasal epithelial cells.

Our results also show that the expression of MUC5AC mRNA was increased by the transfection of mammalian expression vector encoding HIF-1α under normoxic condition in human lung mucoepidermoid carcinoma cell lines (NCI-H292 cells).

The luciferase assay for MUC5AC promoter demonstrated increased reporter activity under hypoxic condition, however, the mutation of the putative HRE in MUC5AC promoter attenuated the reporter activity.

In conclusion, hypoxia can upregulate MUC5AC expression by binding of HIF-1α to HRE in the promoter of MUC5AC. Taken together, hypoxia upregulates mucin gene expression and secretion by signaling using HIF-1α in the airway epithelia and hypoxia might be a pathophysiologic mechanism of hypersecretion in airway disease such as sinusitis.