The role of sirtuin 2 (SIRT2) in hyperoxic acute lung injury

Abstract

Background : Oxygen therapy is helpful for patients with breathing difficulties, but sustained supplementation of high-concentration oxygen can cause hyperoxic acute lung injury. Sirtuin 2 (SIRT2), a nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+)-dependent deacetylase, has been shown to be involved in pulmonary fibrosis, apoptosis, and inflammation. However, the contribution of SIRT2 in pathogenesis of hyperoxia-induced acute lung injury is unknown. Therefore, the purpose of this study was to elucidate the role of SIRT2 in hyperoxic acute lung injury. Methods : Wild-type (WT) mice and SIRT2 deficient (SIRT2–/–) mice were exposed to room air or hyperoxia for 72 hours. After hyperoxic exposure, changes in hyperoxia-induced inflammation and apoptosis were evaluated in WT and SIRT2–/– mice. Then, the involvement of forkhead box O3 (FOXO3) was investigated in altered hyperoxia-induced lung injury in SIRT2–/– mice. For the SIRT2 inhibitor study, hyperoxia-induced inflammation and apoptosis was assessed after AGK2 treatment. Results : SIRT2 expression levels were elevated in WT mice after hyperoxic exposure. Total cell counts in bronchoalveolar lavage fluid (BALF), pro-inflammatory cytokine levels, and histological lung injury were significantly attenuated in SIRT2–/– mice compared with WT mice following hyperoxic exposure. Under prolonged hyperoxic conditions, survival rates were higher in the absence of SIRT2. Moreover, SIRT2 deficiency led to decreased apoptotic cells, cell cytotoxicity, caspase activities, and expression of pro-apoptotic molecules when exposed to hyperoxia. Furthermore, FOXO3 acetylation was augmented in the absence of SIRT2 after hyperoxic exposure. SIRT2 was also involved in the transcription of apoptosis-related FOXO3 target genes BIM, PUMA, PERP, and AATF. Finally, hyperoxia-induced inflammation and apoptosis was attenuated when administered with AGK2. Conclusion : Taken together, SIRT2 plays a critical role in the pathogenesis of hyperoxic acute lung injury by regulating apoptotic signaling through FOXO3 deacetylation. These findings indicate that SIRT2 can provide a new therapeutic strategy for hyperoxic acute lung injury.

배경 : 산소 요법은 호흡이 어려운 환자에게 도움이 되지만, 고농도 산소를 지속적으로 투여받을 경우 고농도 산소로 인한 급성 폐 손상을 초래할 수 있다. Sirtuin 2 (SIRT2)는 nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+)에 의존적인 탈아세틸화 효소로서, 폐섬유증, 세포사멸 및 염증에 관여하는 것으로 나타났다. 하지만, 고농도 산소로 인한 급성 폐 손상의 발병기전에서 SIRT2의 역할은 밝혀지지 않았다. 본 연구에서는 고농도 산소로 인한 급성 폐 손상에서 SIRT2의 역할을 밝히는 것을 목표로 하였다. 방법 : 야생형 마우스와 SIRT2 결핍 마우스를 정상 산소 혹은 고농도 산소에 72시간 동안 노출시켰다. 그 다음 야생형 마우스와 SIRT2 결핍 마우스 사이의 고농도 산소로 인한 염증과 세포 사멸의 변화를 평가하였다. 그 다음, SIRT2 결핍 마우스에서 고농도 산소로 인한 급성 폐 손상의 변화에 forkhead box O3 (FOXO3)가 관여하는지 조사하였다. 추가적으로, SIRT2 억제제 연구를 통해 AGK2를 처리하였을 때 고농도 산소로 인한 염증 및 세포 사멸 정도를 평가하였다. 결과 : 고농도 산소 노출 후 야생형 마우스에서 SIRT2의 발현이 현저히 증가하였다. 지속적인 고농도 산소 조건에서 SIRT2 결핍 마우스는 야생형 마우스보다 생존 기간이 길었다. 또한, 기관지 폐포 세척액의 총 세포 수, 전염증성 사이토카인 발현 및 조직학적 폐 손상은 고농도 산소에 노출된 야생형 마우스에 비해 고농도 산소에 노출된 SIRT2 결핍 마우스에서 크게 약화되었다. 게다가, 고농도 산소에 노출되었을 때 SIRT2 결핍 마우스는 야생형 마우스보다 TUNEL 양성 세포, 세포 독성, 카스파제 활성 및 세포사멸 촉진 분자 발현이 감소한 것으로 나타났다. 더 나아가, 고농도 산소 노출 후 FOXO3의 아세틸화는 SIRT2의 결핍 시 증가하였으며, SIRT2는 세포사멸과 관련된 FOXO3의 표적 유전자인 BIM, PUMA, PERP, AATF의 전사에 관여하였다. 마지막으로, SIRT2의 억제제인 AGK2를 투여하였을 때 고농도 산소로 인한 염증 및 세포사멸 정도가 약화되었다. 결론 : 본 연구에서는 SIRT2가 FOXO3의 탈아세틸화를 통해 세포사멸 신호 전달을 조절함으로써 고농도 산소로 인한 급성 폐 손상의 발병에 중요한 역할을 한다는 것을 밝혔다. 이러한 발견을 통해 SIRT2가 고농도 산소로 인한 급성 폐 손상의 병인 기전에 대하여 새로운 치료 전략을 제공할 수 있음을 나타냈다.