Nasal lavage fluid-derived exosomal microRNA let-7a-5p suppresses IL-4-induced MUC5AC expression

Abstract

MicroRNAs (miRNAs) are implicated in the pathogenesis and development of allergic rhinitis (AR) caused by goblet cell hyperplasia and chronic inflammation of the nasal mucosa. Specific exosomal miRNAs in the nasal mucus or serum may provide diagnostic or prognostic potential for AR. The therapeutic effect of exosomal miRNAs on AR occurrence and progression is well-studied in association with T helper 2 immunity. However, exosome and/or exosomal miRNA function in regulating mucin-secreting epithelial tissues remains unknown. Small RNA sequencing was conducted to identify the miRNAs responsible for AR using exosomes isolated from the nasal lavage (NAL) fluid of the control (n=9) and AR patient groups (n=8). Overall, 181 mature miRNAs were identified in the exosomes isolated from NAL fluids, 32 were differentially expressed with more than a two-fold change (p<0.05). Mucin5 AC, encoded by the MUC5AC gene, is a critical factor in mucus hypersecretion and is highly expressed under allergic conditions. To identify MUC5AC-targeting miRNAs, I assessed down-regulated miRNAs in interleukin-4 (IL-4)-treated human nasal epithelial cells. Among the 32 miRNAs, let-7a-5p was significantly downregulated by IL-4 treatment. Moreover, the target prediction algorithm indicated that the 3′ untranslated region of MUC5AC mRNA harbors a let-7a-5p miRNA recognition element (MRE). Argonaute2 RNA immunoprecipitation and luciferase assays revealed that let-7a-5p suppressed MUC5AC expression by directly binding to the MRE of its mRNA. Upon treatment with IL-4, the decrease in let-7a-5p expression reduced MUC5AC mRNA enrichment in the miRNA-induced silencing complex, leading to increased MUC5AC expression. My findings demonstrate that the exosomal miRNA let-7a-5p isolated from NAL fluid can inhibit mucus hypersecretion in airway epithelial cells, I propose it as a potential therapeutic target for AR treatment.

마이크로 RNA는 술잔세포의 과형성 및 비강 점막의 만성 염증을 포함하는 알레르기성 비염의 병인 및 발달과 연관되어 있습니다. 그러나 마이크로 RNA가 코점막 상피세포에서 표적 유전자를 조절하여 점액의 과분비를 유도하는 자세한 기전은 연구된 바가 미비한 실정입니다. 이에 저는 알레르기성 비염 환자의 비강세척액에서 분리한 엑소좀 마이크로 RNA인 let-7a-5p가 MUC5AC 발현을 직접적으로 조절하고, 이는 알레르기성 비염과 부적 상관관계인 것을 확인하였습니다. 알레르기성 비염 환자의 비강 세척액에서 분리된 엑소좀을 사용하여 차별적으로 발현되는 마이크로 RNA를 small RNA 시퀀싱을 통하여 확인하였습니다 (정상대조군, n = 9 vs. 알레르기성 비염 환자, n = 8). 32개의 마이크로 RNA가 2배 이상의 차이로 발현되었습니다(p < 0.05). 인터류킨 4를 처리하여 알레르기 상태를 유도한 사람 코점막 상피세포에서 let-7a-5p의 발현만이 정상보다 유의미하게 감소한다는 것을 확인하였습니다. 뿐만 아니라, let-7a-5p가 과발현된 사람 코점막 상피세포에 인터류킨 4를 처리하여 알레르기 상황을 유도하였을 때, MUC5AC의 발현이 유의미하게 감소함을 확인하였습니다. 이에 let-7a-5p의 과발현이 인터류킨 4에 의해 유도되는 MUC5AC의 발현을 억제한다는 것을 확인하였고, 그 기전을 확인하기 위한 실험을 진행하였습니다. MUC5AC mRNA의 3'-UTR에서 let-7a-5p가 결합할 가능성이 있는 부위를 확인하였고, 실험을 통해 let-7a-5p가 MUC5AC mRNA의 3'-UTR에 직접적으로 결합한다는 것을 확인하였습니다. 더 나아가 정상 사람과 알레르기성 비염 환자의 비강 세척액 내의 엑소좀에서 let-7a-5p의 발현양을 확인한 결과, let-7a-5p는 정상 사람 (n ≥ 8) 에 비해 알레르기성 비염 환자 (n ≥ 15) 에서 유의미하게 감소한다는 것을 확인하였습니다. 이러한 결과는 let-7a-5p가 MUC5AC 발현양을 감소시켜 점액의 과분비를 억제한다는 기전을 확인하였을 뿐 아니라, 비침습적으로 얻을 수 있는 비강 세척액에서 let-7a-5p의 발현양 확인이 알레르기성 비염의 새로운 치료 후보물질이 될 수 있음을 의미합니다.