Relationship between utrophin and regenerating muscle fibers in duchenne muscular dystrophy

Abstract

[한글]뒤시엔느 근이영양증은 가장 심하고 가장 흔한 근이영양증으로 Xp21에 위치하는 뒤시엔느 근이영양증 유전자의 돌연변이에 의해 초래된다. Dystrophin은 뒤시엔느 근이영양증 유전자의 단백질 산물이고 뒤시엔느 근이영양증 환자의 골격근 조직에서 결여되어 있다. Utrophin은 최근에 발견된 dystrophin과 구조적으로 유사한 395 kD의 단백으로 6q24에 위치한 유전자에 의해 만들어진다. 뒤시엔느 근이영양증에서는 dystrophin의 발현이 결여되어 있는 반면 utrophin은 발현이 증가하고 정상 골격근에서와 달리 근섬유초에서 나타난다. 이와 같이 뒤시엔느 근이영양증에서 utrophin의 발현이 증가하는 기전에 대하여 아직 정확하게 알려져 있지 않다.

본 연구에서는 utrophin의 역할을 규명하기 위하여 뒤시엔느 근이영양증 17예, 다발성근염 3예와 피부근염 1예를 포함한 총 21예의 골격근 생검 조직에서 dystrophin과 utrophin의 발현 양상을 비교하였다. 또한 근섬유 재생과의 연관성을 자세히 알아보기 위하여 이들 질환에서 재생 근섬유의 표지자로 생각되는 vimentin과 desmin의 발현 양상을 보았고 utrophin의 발현 양상과 비교하였다. 그리고 근섬유를 직경에 따라서 3단계로 나누어 이에 따른 utrophin, vimentin과 desmin의 발현 양상과 optical density를 비교 분석하였으며 결과는 다음과 같았다.

1) Dystrophin은 뒤시엔느 근이영양증에서 대부분의 근섬유에서 음성 반응을 나타냈으며 염증성 근병증에서는 전 예에서 양성 반응을 나타냈다.

2) Utrophin은 뒤시엔느 근이영양증의 94.0%(16/17)와 염증성 근병증의 75.0%(3/4)에서 양성 반응을 나타냈다. 뒤시엔느 근이영양증에서는 전체 근섬유중 36.4%가 양성이었고 염증성 근병증에서는 10.5%가 양성으로 나타나서 뒤시엔느 근이영양증에서 훨씬 흔한 빈도에서 양성 반응을 나타냈다(p=0.001). Utrophin 양성 근섬유는 근섬유의 직경이 작을수록, 즉 초기 재생단계일수록 훨씬 흔한 빈도에서 나타났다(p=0.001, 0.013). Optical density는 근섬유의 직경이 작은 재생 근섬유에서 강하게 나타났다.

3) Vimentin과 desmin은 뒤시엔느 근이영양증과 염증성 근병증의 모든 예에서 양성 반응을 나타냈다. 뒤시엔느 근이영양증에서는 vimentin의 경우 전체 근섬유중 34.4%가 양성이었고 desmin은 35.4%가 양성으로 나타났으며 염증성 근병증에서는 vimentin의 경우 21.8%가 양성이었고 desmin의 경우 20.9%가 양성으로 나타나서 뒤시엔느 근이영양증에서 훨씬 흔한 빈도에서 양성 반응을 나타냈다(p=0.001). Vimentin과 desmin 양성 근섬유는 근섬유의 직경이 작을수록, 즉 초기 재생단계일수록 훨씬 흔한 빈도에서 나타났다(p=0.001, 0.001). Optical density는 뒤시엔느 근이영양증에서는 근섬유의 직경이 작을수록, 즉 초기 재생단계일수록 강하게 나타났다.

이상의 결과로 utrophin은 뒤시엔느 근이영양증과 염증성 근병증 모두에서 발현되고 vimentin과 desmin과 마찬가지로 근섬유 직경이 30㎛ 미만에 해당하는 초기 재생단계에서 대다수가 양성 반응을 나타내므로 뒤시엔느 근이영양증에서 utrophin의 발현이 증가하는 것은 근섬유 재생과 연관된 것으로 생각된다. 즉, 뒤시엔느 근이영양증에서 dystrophin의 발현이 결여되고 근섬유가 파괴되었다가 다시 재생되는 단계의 초기에 utrophin의 발현이 일시적으로 나타나는 것으로 생각된다.

[영문]Duchenne muscular dystrophy (DMD) is the most common and most severe form of muscular dystrophy. Mutation of the dystrophin gene, which is located on the X chromosome at the p21 region, has been revealed to be responsible, which results in the absence of dystrophin in skeletal muscle fibers. Utrophin is a recently identified structural homologue of dystrophin. It is a 395 kD protein encoded by a gene located on chromosome 6q24. While dystrophin is absent, utrophin is reported to be up-regulated anomalously at the sarcolemma in DMD.

In order to understand the role of utrophin, the expression of dystrophin and utrophin was analysed in 17 cases of DMD, 3 cases of polymyositis and 1 case of dermatomyositis. Vimentin and desmin were used to identify regenerating muscle fibers to clarify the association of utrophin with muscle regeneration. The muscle fibers were also divided into three stages according to diameter and the expression pattern as well as the staining intensity of utrophin, vimentin and desmin according to these stages were analysed and compared. The following results were obtained.

1) Dystrophin was totally negative in most cases of DMD while all cases of inflammatory myopathy (IM) were positive.

2) Utrophin was positive in 94.0% of DMD and 75.0% of IM. Utrophin was more frequently positive in muscle fibers from DMD, staining 36.4% of the entire muscle fibers as compared to 10.5% in IM (p=0.001). Utrophin-positive fibers were most commonly present in stage 1, measuring less than 30㎛. Their frequency decreased with increase in stage, ie. diameter of muscle fiber (p=0.001, 0.013). Optical density was higher in small regenerating fibers.

3) Vimentin and desmin were positive in regenerating fibers in all cases of DMD and IM. They were more frequently positive in muscle fibers from DMD, staining 34.4% of the entire muscle fibers for vimentin and 35.4% for desmin, as compared to 21.8% for vimentin and 20.9% for desmin in IM (p=0.001, 0.001). Vimentin and desmin-positive fibers were most commonly present in stage 1, measuring less than 30㎛. Their frequency decreased with increase in stage, ie. diameter of muscle fiber (p=0.001, 0.001). In DMD, optical density was also highest in stage 1 and decreased with increase in stage, ie. diameter of muscle fiber.

The above results show that utrophin, as well as vimentin and desmin, were most frequently positive in small muscle fibers in the early stage of regeneration. Small regenerating fibers also tended to stain more strongly. These fibers corresponded to the regenerating muscle fibers observed by hematoxylin-eosin stain. It can therefore be concluded that utrophin up-regulation in DMD is a regeneration-associated event which disappears as the muscle fibers mature. This is also the case in IM in which a lesser amount of degeneration and regeneration of muscle fibers occurs.