The role of SIRT3 in mitochondrial dysfunction and tubular injury under diabetic conditions

Abstract

Objectives: Oxidative stress and mitochondrial dysfunction are key factors inducing diabetic nephropathy. SIRT3, a potent deacetylase, has been found to regulate mitochondrial activity and cell survival. However, whether SIRT3 is involved in the process of diabetic nephropathy development is not well-known. In this study, the role of SIRT3 in diabetes-induced tubular injury was investigated. In addition, the effect of viniferin treatment, which induces SIRT3 upregulation, on the improvement of tubular injury was assessed. Methods: In vitro, NRK-52E cells treated with transforming growth factor-𝛽 (TGF-β) were compared with controls after SIRT3-targeted lentivirus transfection and viniferin treatment to evaluate the effect of SIRT3 overexpression. In vivo, db/db mice were employed as the type 2 diabetes model, while unilateral nephrectomized C57BL/6 mice were subjected to intraperitoneal streptozotocin injection (UNXSTZ) to serve as the type 1 diabetes model. For the control groups, db/m mice were used as the control for the type 2 diabetes model, while C57BL/6 mice were employed as the control for the type 1 diabetes model. Viniferin was administered via osmotic pumps for a duration of 9 weeks in the db/db mice and 4 weeks in the UNXSTZ mice. Mitochondrial isolated SIRT3 expression, mitochondrial dynamics and morphology, cell injury markers, and histological manifestations were examined. Results: In NRK-52E cells, treatment with TGF-β resulted in a notable reduction in SIRT3 expression. Concurrently, there was an increase in the production of intracellular reactive oxygen species, along with a decrease in mitochondrial mass, integrity, and respiration. In addition, an increase in fibrotic markers and apoptotic cell death indices were also observed in TGF-β-treated NRK-52E cells. These alterations were accompanied by decreased expressions of PGC-1α and p-AMPK. Mitochondrial dynamics and cell injury were ameliorated with lentiviral transfection-induced SIRT3 overexpression. Similar positive effects were observed when SIRT3 was up-regulated through viniferin treatment. In the kidneys of db/db and UNXSTZ mice, diabetes induced the downregulation of SIRT3, resulting in increased cellular oxidative stress and decreased expressions of genes related to mitochondrial dynamics, and led to cell injury. SIRT3 upregulation through viniferin treatment effectively alleviated these alterations and led to reduced serum creatinine and albuminuria levels. Additionally, tubular degeneration and fibrotic remodeling in diabetic kidney tissues were notably ameliorated as a result of viniferin treatment. Conclusions: This study provides evidence that SIRT3 plays a crucial role in preserving mitochondrial integrity and function in kidney tubular cells under diabetic conditions. Furthermore, the findings suggest that viniferin may hold promise as a potential therapeutic for improving diabetes-induced tubulopathy due to its ability to up-regulate SIRT3 expression. 배경: 미토콘드리아 기능 장애와 활성 산소의 증가는 당뇨병성 신증을 유발하는 주요 요인으로 알려져 있다. 탈아세틸화 효소인 SIRT3는 미토콘드리아 활동을 조절하고 세포 생존에 중요한 역할을 하는 것으로 밝혀진 바 있으나, 당뇨병성 신증 발생 과정 있어 SIRT3의 역할은 정확히 알려져 있지 않다. 본 연구는 당뇨병으로 인한 세뇨관 손상에서 SIRT3의 역할을 규명하고, 당뇨병성 세뇨관 손상에서 SIRT3의 발현 증가를 유도하는 viniferin 치료의 잠재적 치료 효과를 확인하는 것을 목표로 한다. 방법: 렌티바이러스 형질 주입 및 viniferin 처리로 SIRT3의 발현을 증가시켜, transforming growth factor-β (TGF-β)로 자극된 NRK-52E 세포에서 SIRT3 과발현의 영향을 평가하였다. 동물 실험으로 db/db 생쥐를 제2형 당뇨병 모델로, 일측 신장 절제술과 복강 내 스트렙토조토신 주사를 받은 C57BL/6 생쥐(UNXSTZ)를 제1형 당뇨병 모델로 사용하였다. 삼투압 펌프를 이용하여 viniferin을 db/db 쥐에 9주, UNXSTZ 쥐에 4주 동안 투여하였으며, 세뇨관 미토콘드리아 SIRT3의 발현, 미토콘드리아 기능 및 형태, 그리고 세포 손상과 조직학적 변화를 관찰하였다. 결과: NRK-52E 세포를 TGF-β로 처리한 결과 SIRT3 발현이 현저하게 감소하였고, 이와 연관되어 세포 내 활성 산소의 생성이 증가하고 미토콘드리아의 손상과 기능 저하가 발생하는 한편 미토콘드리아 호흡이 감소하였다. 또한 TGF-β로 처리한 NRK-52E 세포에서 섬유화와 세포 사멸의 증가도 함께 관찰되었다. 이러한 변화는 p-AMPK 및 PGC-1α의 발현 감소와 동반되었다. 렌티바이러스 형질 주입으로 SIRT3를 과발현 시켰을 때, 미토콘드리아 대사 및 세포 손상이 개선되었다. 마찬가지로 viniferin 투여를 통해 SIRT3의 발현을 유도하는 경우에도 유사한 효과가 관찰되었다. 동물 실험에서, db/db 및 UNXSTZ 생쥐 신장 조직의 SIRT3 발현 감소가 확인되었고 세포 산화 스트레스의 증가와 미토콘드리아 역학과 관련된 유전자의 발현 감소 및 세포 손상이 확인되었다. Viniferin 투여에 따른 SIRT3 과발현이 이러한 당뇨병으로 인한 변화를 완화하는 한편, 혈청 크레아티닌 및 알부민뇨 수치의 감소를 유도함이 함께 관찰되었다. 또한 viniferin 치료 결과 신장 조직에서 당뇨병으로 인한 세뇨관 손상 및 간질 섬유화가 현저하게 경감되었다. 결론: 이상의 결과를 통해 당뇨병성 세뇨관 손상에 있어서 SIRT3가 신장 세뇨관 세포의 미토콘드리아 대사 및 기능 유지에 관여함을 확인하였다. 또한, viniferin이 SIRT3 발현의 상향 조절을 통해 당뇨병 유발 세뇨관 손상을 개선할 수 있는 잠재적 치료제의 가능성을 지님을 확인하였다.