고포도당으로 자극한 백서 사구체 메산지움 배양세포에서 ERK 경로 억제가 p27Kip1 및 GLUT1의 발현에 미치는 영향

Abstract

[한글]

당뇨병성 신증의 특징인 세포 비후 및 세포외 기질의 축적은 포도당이 당전달체인 glucose transporter (GLUT)에 의해 세포 내로 유입된 후 다양한 신호전달 경로를 통해 발생되는 것으로 알려져 있다. 최근에는 여러 신호전달 경로 중에서도 mitogen-activated protein kinase (MAPK)가 당뇨병성 신증의 병태생리에 관여한다는 연구들이 계속 보고되고 있다. 세포 비후는 세포주기에서 cyclin, cyclin-dependent kinase 및 cyclin-dependent kinase inhibitors (CKIs)에 의해 결정되어지며, 특히 CKIs의 발현 증가는 세포주기 내에서의 진행을 억제시켜 세포 비후가 발생하는 것으로 보고되고 있다. 당뇨병성 신증의 병태생리에도 CKIs가 관여하는 것으로 알려져 있으나, 아직까지는 MAPK의 하나인 extracellular signal-regulated kinase (ERK)와 CKIs 및 GLUT1과의 상관관계에 대한 연구는 없는 실정이다. 이에 본 연구자는 고포도당으로 자극한 백서 사구체 메산지움 배양세포에서 CKIs (p21WAF1, p27Kip1, p57Kip2), GLUT1 및 ERK 단백 발현의 변화를 관찰하였으며, ERK 경로 억제제인 PD98059가 고포도당에 의한 CKIs, GLUT1 및 세포 배양액 내의 fibronectin에 미치는 영향을 연구하여 다음과 같은 결과를 얻었다.1. 고포도당 (30mM)으로 자극한 메산지움 배양세포에서 p21WAF1 단백은 24시간과 48시간 경과 후 정상 포도당군 (5.6mM)에 비해 각각 2.9배, 3.0배 증가되었으나 (p<0.05), 72시간과 120시간 후에는 정상 포도당군과 차이가 없었다. p27Kip1 단백은 자극 24시간 후 고포도당군에서 정상 포도당군에 비해 2.1배 증가되었으며 (p<0.05), 이러한 차이는 120시간 후에도 유지되었다. p57Kip2 단백은 전기간을 통하여 변화가 없었다.2. 고포도당 자극에 따른 GLUT1 단백 발현은 고포도당 자극 72시간 후 정상 포도당군에 비해 2.0배 증가되었으며 (p<0.05), 이러한 차이는 120시간 후에도 유지되었다.3. 고포도당 자극에 따른 ERK의 활성화는 고포도당 자극 72시간 후 정상 포도당군에 비해 1.6배 증가되었으며 (p<0.05), 이러한 차이는 120시간 후에도 유지되었다.4. MEK 억제제인 PD98059 (25&micro;M)는 고포도당으로 120시간 자극한 메산지움 세포에서 p27Kip1과 GLUT1의 단백 발현 증가를 각각 83%, 82% 억제시켰으며 (p<0.05), mRNA의 발현 증가도 각각 65%, 82% 억제시켰다 (p<0.05).5. PD98059는 고포도당으로 120시간 자극한 메산지움 배양세포에서 메산지움 세포수당 총 단백양, fibronectin mRNA 발현 및 세포 배양액내 fibronectin 증가를 각각 63%, 92% 및 54% 억제시켰다 (p<0.05).이상의 결과로 백서 사구체 메산지움 배양세포에서 고포도당에 의한 p27Kip1과 GLUT1의 증가는 ERK 경로의 활성화와 밀접한 관련이 있음을 알 수 있으며, ERK 경로를 차단할 경우 세포 비후 및 세포외 기질의 축적을 억제시킬 수 있어 당뇨병성 신증의 발생과 진행을 예방할 수 있을 것으로 생각된다.

[영문]

Many studies have demonstrated that mesangial cells cultured in high glucose media exhibit the typical features of cellular hypertrophy and excessive extracellular matrix production that are characteristic of diabetic nephropathy in vivo. Previous reports showed high glucose-induced mesangial cell hypertrophy and glomerular hypertrophy in diabetes are associated with increased levels of cyclin-dependent kinase inhibitors (CKIs). It is well known that TGF-b1 plays a pivotal role in the glomerular mesangium expansion in diabetic nephropathy. Treatment of mesangial cells with high glucose up-regulates GLUT1 mRNA expression and TGF-b1 stimulates glucose uptake by enhancing GLUT1 expression. Recent study reported that high glucose-induced TGF-b1 mRNA expression in mesangial cells is largely mediated by ERK activation. However, the relationship between ERK activation and high glucose-induced CKIs, GLUT1 expression and fibronectin synthesis have not been fully elucidated.To clarify the relationship between ERK activation and sequential changes of CKIs, GLUT1 expression and fibronectin synthesis, rat mesangial cells were exposed to normal glucose (NG: 5.6mM) or high glucose (HG: 30 mM) with or without MEK inhibitor PD98059 (25&micro;M). Among three CKIs (p21WAF1, p27Kip1, p57Kip2), p57Kip2 protein expression was not altered in response to HG. p21WAF1 protein expression in mesangial cells cultured under HG conditions significantly increased at 24 hours and 48 hours, but after 72hours, it was not altered in response to HG. p27Kip1 protein expression was significantly increased at 24 hours and this increase was maintained up to 120 hours in mesangial cells exposed to HG. Mesangial cells exposed to HG exhibited significant increases in ERK activity and GLUT1 protein expression at 72 hours and remained at higher levels until up to 120 hours. Treatment with PD98059 significantly inhibited HG-induced p27Kip1 and GLUT1 protein and mRNA levels. PD98059 also significantly inhibited total protein content cell number in mesangial cells cultured under HG conditions. HG-induced fibronectin production by mesangial cells was also significantly reduced by PD98059. In conclusion, activation of ERK pathway by HG may play an important role in the pathogenesis of diabetic nephropathy via inducing p27Kip1, GLUT1 expression and stimulating fibronectin synthesis.