GSK-3β 억제를 통한 발프로익산의 모발 성장 및 재생 촉진

Abstract

Human hair follicles are self-renewing structures, which undergo three phases of hair cycle; anagen, catagen, and telogen. It is well known that β-catenin, a transducer of Wnt signaling, is critical in development, growth, and regeneration of hair follicle. In the absence of Wnt signal, β-catenin is ordinarily phosphorylated in the cytoplasm by glycogen synthase kinase (GSK)-3 and then degraded by proteasome. Therefore, inhibition of GSK-3 is able to increase β-catenin and would be able to induce growth of hairs. Valproic acid (VPA) is an anticonvulsant and mood-stabilizing drug used for decades and is known to inhibit the GSK-3β in cancer cell line and neuronal cells. However, the effect of VPA on hairs has not been studied yet. In this study, VPA enhanced the proliferation of human dermal papilla (DP) cells and outer root sheath (ORS) cells in vitro. In addition, hair follicles treated with VPA showed more rapid elongation of hairs and remained longer in anagen stage. In DP cells treated with VPA, β-catenin protein was found to be increased and accumulated in the nucleus, but the mRNA level of β-catenin was not increased. Instead, GSK-3β was phosphorylated at Ser9 by VPA, which means inactivation of GSK-3β. These findings suggest that VPA increases β-catenin by preventing its degradation, not by promoting the synthesis. Anagen hair induction using mice model showed accelerated regeneration of new hair coat, higher anagen induction score and thicker back skin in VPA-treated mice. VPA also enhanced the de novo neogenesis after wounding, which has been known as Wnt-dependent process. In conclusion, the results from this study suggest that VPA stimulates growth and regeneration of hairs in both of in vitro and animal model. The promoting effect of VPA on hair is mediated through inhibition of GSK-3β which prevents the degradation of β-catenin.

털집은 털속뿌리싸개세포, 겉뿌리싸개세포, 털유두세포 등 다양한 세포들로 이루어져 있는 피부부속기이다. 태생기에 표피세포와 중배엽기원 세포의 상호작용으로 발생하여, 살아가는 동안 성장기-퇴행기-휴지기의 독특한 주기를 보이는데, 이러한 털집의 발생 및 성장에는 Wnt 신호 전달자인 β-catenin이 중요한 역할을 한다. Wnt 신호가 없을 때에는, β-catenin은 세포질의 GSK-3β에 의해 인산화된 후 분해되지만, Wnt가 세포막의 수용체에 결합하면 GSK-3β를 억제하여 β-catenin의 분해를 막는다. 따라서, GSK-3β 억제제는 Wnt 신호전달 체계의 활성제이며 털의 성장 및 재생을 촉진할 가능성이 있다. 수 십 년 동안 항경련제로 사용되어 왔던 발프로익산도 GSK-3β 억제제라는 것이 최근 보고되었으나, 아직 털의 성장 및 재생에 대한 영향은 연구된 바가 없다. 따라서, 이 연구에서는 발프로익산이 털의 성장과 재생에 미치는 영향을 in vitro 실험과 동물모델을 이용하여 평가하고, 발프로익산과 털유두세포의 β-catenin 발현의 관련성을 연구함으로써 그 기전을 밝히고자 하였다. 발프로익산을 처리하고 사람 털유두세포를 배양한 결과, 1.0mM 이하의 발프로익산에 의해 세포 증식이 촉진되었으며, 0.1mM에서 가장 큰 효과를 보였다. 털집 기관 배양에서, 0.1mM 발프로익산은 털집의 성장을 촉진하고 성장기가 더 오랫동안 유지되도록 하였으며, 배양된 털집에서 KI67 면역형광염색을 시행한 결과 털유두와 접촉하고 있는 털기질 세포의 증식이 뚜렷이 촉진되었다. 또한, 털유두세포에 발프로익산을 처리하면 β-catenin 단백질이 증가하고 핵 내에 축적되었으나, β-catenin의 mRNA 발현 증가는 관찰되지 않았다. 대신, 세포질에서 GSK-3β의 인산화가 뚜렷하게 증가하였다. 따라서, 발프로익산이 털유두 세포에서 β-catenin의 유전자 발현 및 합성을 증가시키지는 않지만 GSK-3β 억제하여 β-catenin을 증가시킴을 알 수 있었다. C57BL/6 생쥐를 이용한 성장기 유도 실험에서, 발프로익산을 도포한 생쥐들에서 성장기 유도 점수가 더 높았고 피부의 두께도 두꺼웠다. 마지막으로, 상처 후에 회복 과정에서 재생되는 털집의 개수도 발프로익산을 도포한 생쥐들에서 더 많았다. 결론적으로, 발프로익산이 털의 성장과 재생을 촉진할 수 있음을 in vitro 와 동물 실험을 통해 확인하였다. 그리고, 이러한 발프로익산의 효과는 털유두세포에서 GSK-3β를 억제함으로써 β-catenin의 분해를 막기 때문인 것으로 생각된다.