Pharmacologic pyruvate kinase M2 activation maintains mitochondrial metabolism by regulating the interaction between HIF-1α and PGC-1α in diabetic kidney disease

Abstract

배경: 피루브산 키네이스 M2 (PKM2)의 활성화는 미토콘드리아 기능장애와 무산소성 해당과정을 개선시켜 신장 보호할 수 있다는 보고가 있다. 그러나 활성화된 PKM2가 어떻게 에너지 대사와 미토콘드리아 기능장애를 조절하는지는 잘 알려져 있지 않다. 본 연구는 PKM2 활성화가 HIF-1α와 PGC-1α의 상호작용을 조절함으로써 당뇨병성 신장병 모델에서 신장 보호한다는 것을 확인하고자 한다. 방법: 당뇨병성 신장병 동물모델로 db/db 쥐에 PKM2 활성화 물질인 TEPP-46을 복강내 투여하였으며 대조군으로는 db/m 쥐를 이용하였다. 체외 실험으로 C57BL/6 쥐로부터 직접 얻은 세뇨관 상피 세포를 일차 배양하여 고혈당 또는 고혈당+TEPP-46으로 자극하였다. HIF-1α와 PGC-1α의 상호작용을 확인하기 위하여 HIF-1α를 직접 과발현 또는 RNA 간섭을 통해 발현을 저하시켰다. 모든 실험에서 PKM2 활성화정도, 에너지 대사, 미토콘드리아 형태 및 활성, 신섬유화 및 세포 사멸 관련 인자들의 변화를 관찰하였다. 결과: 당뇨를 유도한 db/db 쥐에서 적출한 신장에서 PKM2 활성화 감소, 비정상적인 해당작용, 지방산 산화의 저하, 미토콘드리아 양의 감소 및 형태의 변화, 이에 따른 미토콘드리아 기능의 감소가 관찰되었다. 또한 HIF-1α 발현의 증가와 PGC-1α의 감소도 함께 관찰되었으며 간질 섬유화 및 세포사멸 증가가 관찰되었다. TEPP-46투여를 통한 직접적인 PKM2 활성화는 에너지 대사의 이상, 미토콘드리아 기능장애, 세포 사멸을 경감시켰다. 동물실험 결과와 유사하게 고혈당자극 세뇨관 상피세포에서도 PKM2 활성화 저하와 함께 미토콘드리아 변화 및 대사 이상이 관찰되었으며, 이 변화는 TEPP-46 투여로 회복되었다. 크로마틴 면역침전분석을 통해 HIF-1α는 PGC-1α 유전자의 프로모터 영역 내 HIF-1α 단백질의 결합영역 (hypoxia responsive element)에 직접 결합함을 확인하였으며 이 상호작용은 PKM2 비활성화시 결합이 증가하고, 활성화시 결합이 억제되어 PKM2 활성화 유무에 따라 의존적이었다. 또한 루시퍼레이즈 분석에서 HIF-1α는 PKM2의 활성화에 따라 PGC-1α의 전사정도를 조절했다. 더욱이 세뇨관 상피세포에 플라스미드를 통해 HIF-1α 과발현을 유도하였을 때 PGC-1α 발현이 감소되었으며 해당작용 이상, 감소된 지방산 산화, 미토콘드리아 기능장애 및 세포 사멸을 유도하였다. 반대로 이런 변화는 RNA 간섭을 통해 HIF-1α 유전자 발현을 감소시켰을 때 개선되었다. 결론: 이상의 결과를 통해 당뇨병성 신장병에서 PKM2 활성화가 HIF-1α와 PGC-1α의 상호작용을 조절함으로써 저하된 미토콘드리아 대사 및 기능을 회복한다는 것을 확인하였다. Background: Previous findings have indicated that pyruvate kinase isoform M2 (PKM2) activation may protect kidney injury by improving mitochondrial dysfunction and anerobic glycolysis. However, it is unclear how activated PKM2 modulates altered energy metabolism and mitochondrial dysfunction. Here, I have demonstrated that PKM2 activation alleviates HIF-1α-mediated PGC-1α suppression in diabetic kidney disease (DKD) models. Methods: In an animal DKD study, db/db mice were intraperitoneally injected with TEPP-46, a PKM2 activator; db/m mice served as controls. In vitro, primary cultured renal tubular epithelial cells (RTECs) from C57BL/6 mice were treated with high glucose (HG) alone and HG+TEPP-46. To investigate the interaction between HIF-1α and PGC-1α, I used HIF-1α plasmids and small interfering-HIF-1α plasmids. PKM2 activity, energy metabolism, mitochondrial dynamics and morphology, and cell injury markers were examined. Results: In the kidney of db/db mice, diabetes resulted in decreased PKM2 activation, aberrant glycolysis, impaired fatty acid oxidation (FAO), and decreased mitochondrial mass, integrity, and function. These changes were accompanied by increased HIF-1α levels and decreased PGC-1α levels. In addition, increased fibrotic changes and apoptotic cell death were observed in diabetic mice. The direct PKM2 activation by TEPP-46 treatment attenuated the dysregulated energy metabolism, mitochondrial dysfunction, and cell death. Similar alterations were also observed in HG-treated RTECs, which were restored by TEPP-46. Notably, a chromatin immunoprecipitation assay revealed that HIF-1α directly binds to the regulatory region of the Ppargc1a promoter and that this interaction is inversely dependent on PKM2 activation. A luciferase reporter assay showed that HIF-1α regulates the transcriptional activity of PGC-1α in a PKM2-dependent manner. Moreover, overexpression of Hif1ɑ suppressed PGC-1α and induced aberrant glycolytic flux, decreased FAO, mitochondrial dysfunction, and cell death. Conversely, these changes were reversed by HIF-1α knockdown. Conclusions: This study demonstrates that PKM2 activation improves impaired mitochondrial metabolism and function by modulating HIF-1α and PGC-1α interactions in DKD.