제 2형 교원질과 TGF-β1의 MAP kinase를 통한 관절 연골세포의 특이 유전자 발현 조절

Abstract

[한글]

관절 연골 (articular cartilage)의 손상은 재생 능력이 매우 제한적이므로 여러 방법의 연골 재생이 시도 되고 있다. 본 논문은 연골 세포의 주요한 세포외 산물인 제 2형 교원질 (type II collagen)이 단순한 세포 산물이 아닌 동적인 작용으로 TGF-β1 (transforming growth factor-β1) 등의 성장 인자와 같이 연골세포의 탈분화 (dedifferentiation)를 방지하고 세포의 표현형 유지와 연골 세포의 특이 유전자 발현을 조절하며 이러한 조절이 Mitogen activated protein (MAP) kinase의 경로를 통함을 확인하고자 하였다. 이를 위해 단층 배양 및 alginate 삼차원 배양에서 세포 표현형의 변화를 관찰하였고, 세포외 교원질의 부착에 관여하는 integrin의 발현 변화를 면역형광 염색으로 관찰 하였으며, Western blot으로 integrin 및 MAP kinase의 발현 및 활성을 확인하였다. 또한 역전사-중합 효소 연쇄 반응으로 제 2형 교원질 및 aggrecan 유전자의 mRNA 발현을 확인하였다. 본 실험의 결과로 제 2형 교원질이 피복(coating)된 배양 조건의 관절 연골세포에서는 7일까지 integrin α2, FAK (focal adhesion kinase) 발현이 증가되었으며, 신호 전달 물질인 ERK의 인산화가 지속적으로 유지되었다. 이러한 세포 내 신호 전달 과정의 차이는 연골세포 내 세포 골격 (cytoskeleton)의 변화와 세포 모양에도 영향을 미치며, 관절 연골세포의 형태와 특이 유전자 발현은 intergin α2 β1-FAK 신호 전달 (signaling)이 중요한 역할을 하리라 사료된다. Alginate bead 배양 상에서 ERK의 활성은 TGF-β1과 제2형 교원질에 의해 각각 활성화되었으며 두 요소가 같이 처리된 군에서 ERK의 활성이 지속적으로 증가하였고, col2A1, aggrecan mRNA는 TGF- β1 뿐 아니라 제 2형 교원질에 의해 발현하였다. 최종적으로 본 연구 결과를 통해 연골세포와 제 2형 교원질의 상호 작용이 integrin α2β1-FAK 복합체(complex)를 통해 ERK1/2를 활성화 시키고 결국 col2A1 mRNA의 발현을 증가시킴을 알 수 있었다. 이를 종합하면, 이미 알려진 TGF-β1의 수용체를 통해 세포의 분화와 증식을 촉진 시키는 Ras-raf-ERK 기전과 더불어 세포 외 기질인 제 2형 교원질 역시 integrin-FAK를 거쳐 MAP kinase의 활성화로 연골 세포의 특이 유전자 발현과 그 형태 유지에 중요한 역할을 하리라 사료된다.

[영문]The regeneration potential of articular chondrocyte is limited. There has been little study about the role of extracellular matrix in cartilage regeneration. The main component of extracellular matrix of articular chondrocyte is collagen type II that is not only important extracellular matrix but also having dynamic effect on chondrocyte. In this study, Cell morphology and correlation between type II collagen and dedifferentiation of chondrocyte were observed. Western blot and immunofluorescence staining checked Integrin expression and MAP kinase. The aggrecan and type II collagen gene expression were checked by PT-PCR. In our results, integrin 2 and FAK expression were significantly increased at 7 days in cells grown in type II collagen coated plates. ERK was transiently activated at 1h, 10h, and 7 days in TCP attached cells whereas ERK activation was maintained from 1 h to 7 days in type II collagen attached cells. Also these different signaling pathways between TCP and type II collagen may influence on cytoskeletal reorganization and then cell morphology. The changes in morphology and gene expression may be regulated by integrin receptor (α2β1)-FAK signaling in articular chondrocytes. In alginate bead culture, ERK activation was increased and maintained by TGF-β1 and type II collagen treated chondrocytes until 4 day. In conclusion COL2A1 mRNA and MAP kinase were expressed and controlled by TGF-β1 and type II collagen.