The role and mechanism of SQSTM1/p62 in the pathogenesis of pulmonary fibrosis

Abstract

Idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) is a fatal disease with a prognosis comparable to major malignant tumors, yet its pathogenic mechanism remains unclear. Although it is widely accepted that autophagy is impaired in alveolar epithelial type 2 cells (AEC2) and fibroblasts in the lungs of IPF patients, the molecular mechanism through which impaired autophagy contributes to IPF remains elusive. SQSTM1/p62 (Sequestosome 1) is a key protein that links cellular senescence and redox homeostasis to autophagy through selective autophagic degradation of GATA4 and KEAP1. However, the role of SQSTM1/p62 in the pathogenesis of pulmonary fibrosis has not yet been explored. This study aims to elucidate the role and working mechanism of SQSTM1/p62 in pulmonary fibrosis. Lung samples from IPF patient registry and public transcriptomic and single-cell RNA sequencing datasets were analyzed to determine the expression of SQSTM1/p62. Using bleomycin-induced lung fibrosis as the main in vivo model for pulmonary fibrosis, SQSTM1/p62 conventional knockout mice and AEC2-specific knockout mice were employed to validate the role of SQSTM1/p62 in vivo. Lung-specific deletion rescue using adeno-associated virus 9 vectors was also employed. SQSTM1/p62 was transcriptionally downregulated in patients with IPF, and its protein was rather accumulated due to impaired autophagic degradation. Moreover, mRNA expression of SQSTM1/p62 was positively correlated to better lung function in patients with IPF. SQSTM1/p62 conventional knockout mice exhibited increased pulmonary fibrosis compared to wild-type mice, whereas deletion-rescued mice were protected from pulmonary fibrosis compared to empty-vector-transduced mice. AEC2-specific knockout mice were more susceptible to bleomycin-induced injury and lethality. Furthermore, SQSTM1/p62 knockout led to impaired autophagy and KEAP1 degradation, suggesting a potential mechanistic link. In conclusion, this study demonstrates that SQSTM1/p62 plays a protective role in the pathogenesis of pulmonary fibrosis, shedding light on a potential therapeutic target for IPF.

특발폐섬유증은 주요 악성 종양과 유사한 수준의 예후를 가진 치명적인 질병이나, 그 병인 메커니즘이 명확히 알려진 바가 없다. 특히, 특발폐섬유증 환자의 폐에서 2형 폐포상피세포(AEC2)와 섬유모세포의 자가포식 기능이 손상되어 있다는 것은 알려져 있으나, 이러한 손상된 자가포식이 병인 과정에 기여하는 분자 메커니즘은 불분명하다. SQSTM1/p62 (Sequestosome 1)은 GATA4와 KEAP1의 선택적 자가포식 분해를 통해 세포 노화와 산화환원 균형에 관여하는 주요 단백질이다. 그러나 SQSTM1/p62가 폐 섬유화의 발병 메커니즘에서 어떠한 역할을 하는지는 아직 밝혀지지 않았다. 따라서, 본 연구는 폐 섬유화에서 SQSTM1/p62의 역할과 작용 메커니즘을 규명하고자 하였다. 특발폐섬유증 환자 레지스트리에서 폐 조직 샘플과 공개적으로 이용 가능한 전사체 및 단일세포 RNA sequencing 데이터셋을 분석하여 SQSTM1/p62의 발현을 비교하였다. 폐 섬유화의 잘 알려진 in vivo 모델인 블레오마이신 유발 폐 섬유증 마우스 모델을 사용하였고, SQSTM1/p62의 conventional KO 마우스와 AEC2-특이적인 유전자 결핍 마우스를 사용하여 SQSTM1/p62의 in vivo에서의 역할을 확인하였다. 또한, Adeno-associated virus 9 (AAV9) 벡터를 사용한 폐 특이적 KO rescue 실험도 진행하였다. SQSTM1/p62는 특발폐섬유증 환자에서 mRNA 전사가 감소되어 있었다. 한편, 단백질은 오히려 축적되어 있었는데, 이는 손상된 자가포식의 분해 기전으로 인한 것으로 확인되었다. SQSTM1/p62의 mRNA 발현은 특발폐섬유증 환자에서 폐 기능과 양의 상관관계를 보였다. SQSTM1/p62의 conventional KO 마우스에서 야생형 마우스에 비해 폐 섬유증이 증가되었고, Rescue 마우스에서는 empty vector만 전달된 마우스에 비해 폐 섬유화로부터 보호되었다. AEC2-특이적 유전자 결핍 마우스는 블레오마이신에 의핸 폐 손상과 사망에 더 취약한 양상을 보였다. SQSTM1/p62는 자가포식 및 KEAP1 분해에 장애를 초래하여, 본 연구를 통해 잠재적인 메커니즘을 제안할 수 있었다. 결론적으로, 본 연구는 SQSTM1/p62가 폐 섬유화의 발병에서 보호하는 역할을 한다는 것을 입증하였으며, 이는 향후 폐섬유증의 치료 과정에 중요한 타겟으로 고려될 수 있다.