Role of Mitofusin 1 in Mitochondrial Quality Control and the Anti-Inflammatory Effects in Nucleus Pulposus Cells During Inflammation-Induced Degeneration

Abstract

Introduction Mitochondrial dysfunction is a key driver of intervertebral disc (IVD) degeneration. Therefore, maintaining mitochondrial dynamics, governed by mitofusin (MFN) proteins, is essential for cellular health. Despite the recognized potential of antioxidant therapies, the specific mechanisms influencing mitochondrial function in nucleus pulposus cells (NPCs) under inflammatory stress remain unclear. Objectives To evaluate the roles of MFN1 and MFN2 in mitochondrial quality control (MQC) and their responses to inflammation and antioxidant treatments, focusing on grades I and III disc NPCs. Methods NPCs were isolated from human IVD tissue and treated with tumor necrosis factor-α (TNF-α) to induce inflammation. The antioxidant effects of Vitamin E and saponin were assessed via quantitative PCR, western blotting, immunocytochemistry, and transmission electron microscopy. For in vivo analysis, MFN1 knockdown NPCs were subcutaneously transplanted into BALB/c nude mice to evaluate the effects of MFN1 suppression on the integrity of extracellular matrix (ECM) under physiological conditions. Statistical analysis was performed to determine significance. All statistical analyses were conducted using the paired t-test and the Mann–Whitney U test for parametric and nonparametric data, respectively, with a significance threshold of p < 0.05. Results TNF-α treatment significantly increased the expression of MFN1 and MFN2, with MFN1 showing a slightly stronger response in grade III disc NPCs than in grade I disc NP cells. Antioxidant treatments with Vitamin E or saponin effectively reduced the expression of these proteins, with Vitamin E exhibiting a more potent anti-inflammatory effect than saponin. Importantly, MFN1 was identified as a key regulator of mitochondrial fusion and ECM integrity under inflammatory conditions. The alterations in mitochondrial morphology and ECM levels were notably more pronounced in grade III disc NPCs than in grade I disc NPCs, reflecting the advanced degeneration in these cells. Conclusions MFN1 and MFN2 contribute to mitochondrial dynamics during inflammation, with MFN1 being particularly responsive to inflammatory and anti-inflammatory conditions. Vitamin E showed superior efficacy in mitigating inflammation-induced damage compared to saponin. Therefore, these findings suggest that targeting mitochondrial dynamics, particularly through MFN1 modulation, provides novel therapeutic approaches for degenerative disc disease.

서론 미토콘드리아 기능 장애는 산화 스트레스와 같은 외부 자극에 의해 유발되며, 이는 추간판(IVD) 퇴행의 주요 원인 중 하나입니다. 미토콘드리아 융합과 분열은 Mitofusin 1(MFN1), Mitofusin 2(MFN2), Dynamin-related protein 1(DRP1)등 과 같은 단백질에 의해 조절되며, 미토콘드리아의 구조적 안정성을 유지하는 데 필수적인 역할을 합니다. 항산화제는 염증을 억제하고 IVD 퇴행을 예방하는 효과가 있다고 알려져 있으나, 이들이 추간판 수핵 세포(NP) 내 미토콘드리아 기능에 미치는 구체적인 기전은 아직 명확하게 밝혀진 바가 없습니다. 목적 본 연구의 목적은 염증이 추간판 수핵 세포(NP)의 미토콘드리아 역동성에 미치는 영향을 조사하고, 특히 MFN1의 역할을 중심으로 비타민 E와 saponin이 염증 상황에서 항염증 효과를 나타내는지 평가하는 것입니다. 방법 퇴행성 디스크 질환으로 수술을 받은 환자 15명으로부터 추간판 조직을 채취하여 추간판 수핵 세포(NP)를 분리하고 배양하였습니다. 실험에 사용된 디스크는 피르만 그레이드 1과 3을 주로 사용하였습니다. 배양된 세포에 TNF-α를 처리하여 염증을 유도한 뒤, 비타민 E 및 사포닌을 투여하여 항염증 효과를 평가하였습니다. RNA 추출 후 실시간 PCR을 통해 유전자 발현을 분석하였고, 단백질 발현은 웨스턴 블롯, 면역세포화학염색, 그리고 전자현미경을 통해 확인하였습니다. 또한, in vivo 분석을 위해 MFN1 억제 수핵 세포를 BALB/c 누드 마우스에 이식하여 생리적 조건에서 MFN1 억제가 ECM 유지에 미치는 영향을 평가하였습니다. 결과 TNF-α에 의해 유도된 염증은 MFN1 및 MFN2와 같은 미토콘드리아 융합 단백질의 발현을 증가시켰으며, 비타민 E와 사포닌 처리 후 이들 단백질의 발현이 감소하는 경향을 보였습니다. 특히, MFN1은 염증 조건에서 세포외기질(ECM) 유지에 중요한 역할을 하는 것으로 나타났습니다. 염증은 미토콘드리아 분열 및 자가포식 관련 단백질의 발현을 증가시켰으나, 항산화제 처리 후 이들 단백질의 발현이 감소하는 양상을 보였습니다. ECM의 변화는 통계적으로 유의미하지 않았지만, 염증 및 항염증 반응에서 미토콘드리아 융합 및 분열 관련 단백질의 변화는 그레이드 1 디스크 NP 세포보다 그레이드 3 디스크 NP 세포에서 더 두드러진 반응을 보였습니다. 전반적으로, MFN1은 ECM 유지에 핵심적인 역할을 하며, 비타민 E는 사포닌보다 더 큰 항염증 효과를 디스크 NP 세포에서 나타냈습니다. 결론 염증 상태에서 NP 세포는 미토콘드리아 융합 및 분열 과정을 활성화하여 세포의 항상성을 유지하려는 기전을 나타내며, 비타민 E는 이러한 세포에서 항염증 효과를 발휘합니다. 특히 MFN1은 염증이 진행됨에 따라 더 크게 활성화되며, 항염증제 처리 시 염증과 항염증 간의 유의미한 차이를 보였습니다. 본 연구 결과는 추간판 퇴행성 질환에서 미토콘드리아 기능 장애와 염증 반응이 중요한 역할을 한다는 점을 시사합니다. 비타민 E와 같은 항산화제가 미토콘드리아 역동성을 조절하고 염증을 완화함으로써, 추간판 퇴행성 질환의 예방 및 치료에 잠재적 치료 전략으로 활용될 수 있음을 보여줍니다.