과중력 스트레스에 대한 생체 자기 방어 및 신호 조절 기전

Abstract

생물체가 경험하는 중력 관련 스트레스는 연구 모델, 물체, 관찰 지수에 따라 다양하다. 따라서 항공 우주 임무에 대한 적절한 생리학적 반응 및 변화를 관리하려면 과중력이 인체에 미치는 영향에 대한 이해가 필요하다. 본 연구에서는 생쥐 모델을 이용하여 과중력의 단일 또는 반복 자극이 에너지 대사와 관련된 분자에 영향을 미치는지 조사하였다. 간에서 AMPKα 와 그 하위 신호의 발현은 1 시간 동안 + 9 Gz 과중력 자극에 노출된 후 6 시간 이후에 유의적으로 억제되었다가 점차 정상으로 돌아옴을 확인할 수 있었다. 그러나 억제된 AMPKα의 발현 수치는 + 9 Gz 과중력 자극을 3 회 반복하였을 때는 정상 수준을 나타내며 이는 반복된 다중 자극 훈련에 의한 적응효과를 나타내는 것을 시사한다. cDNA microarray 분석을 통해 221 개의 유전자가 + 9 Gz 중력 자극에 의해 유의적으로 변화한다는 것을 발견할 수 있었고 억제된 유전자에는 Nrf2 타겟 유전자들이 포함되어 있음을 확인할 수 있었다. 이를 추가적으로 확인하기 위해 시행한 Nrf2 유전자 결핍 동물을 이용한 실험에서는 + 9 Gz 3회 반복 자극에 의해 유도되는 AMPKα 신호의 적응을 통한 회복이 나타나지 않음을 확인했으며, 이는 Nrf2가 AMPKα의 적응을 통한 회복효과에 역할을 미친다는 것을 나타낸다. 종합적으로, + 9 Gz 중력이 생쥐에 주어졌을 때 간 손상과 함께 AMPKα 신호 억제 효과를 유발하며, 이는 Nrf2에 의해 매개되는 반복적인 과중력 자극에 의한 적응반응에 의해 극복될 수 있음을 확인하였다. 과중력 자극이 간 기능에 미치는 영향을 더 알아보기 위해 대표적인 간 독성 모델인 알코올 단 회 폭음 섭취와 + 9 Gz 과중력 자극의 병용 처치에 의한 간의 변화를 확인하였다. 알코올 폭음 섭취는 간세포에서 미토콘드리아 기능 장애를 유발하는 것으로 알려져 있다. 따라서 과중력 스트레스와 폭음 섭취의 조합이 AMPK와 간세포 생존에 필요한 생체 신호에 어떠한 영향을 미치는지 조사하였다. 쥐를 1시간 동안 +9 Gz의 과중력 자극을 가한 직후 알코올 섭취를 진행하고 24시간 이후 간에서 Akt와 PARP-1 수치가 억제됨을 확인하였다. 또한, 에너지 대사를 조절하는 핵심 분자의 AMPKα의 수준을 지속적으로 감소시켰다. 마찬가지로, 세포 생존에 필요한 핵심 전사 요인인 STAT3, FOXO1/3, C/EBP 및 CREB의 수준을 억제하였다. 그러나 이러한 변화는 3회 연속 반복 자극 후에는 나타나지 않았으며, 이는 과중력에 대한 반복적인 과중력 자극에 의한 적응 반응이 과중력 및 알코올에 의한 영향을 극복할 수 있음을 보여준다 나아가 과중력 자극이 간 뿐만 아니라 신장에 미치는 생체적 스트레스 및 독성을 확인하였다. 특히 소포체에서 발생하는 단백질의 축적 (즉, ER 스트레스)은 신장 질환에서 관찰된다. 단일 과중력 자극 이후 아세트아미노펜 투여 후 신장에서 세포 생존 지표의 단백질 수치가 감소하였고, 또한 신장 손상 지표가 증가했으며 ER 스트레스 관련 지표의 발현이 증가되었다. 또한 과중력 반복 자극 훈련에 의해 생쥐의 신장 손상이 극복됨을 확인하였다. 다중 과중력 자극와 APAP에 의한 pri-miR-122의 수치는 신장이 아닌 간에서만 증가했기 때문에 신장에서의 miR-122 수준의 증가는 간에서 비롯되었을 가능성이 높을 것으로 예측되었다. 이는 과중력 자극과 APAP에 의한 자극이 생쥐의 생체 내에서 ER 스트레스 증가로 인한 신장 기능 장애를 일으켰으며, 이는 반복적인 과중력 자극으로 인한 간에서 miR-122의 생산 증가로 극복될 수 있음을 발견하였다. 종합할 때, 본 연구에서는 과중력 스트레스에 의한 자극이 간, 신장을 포함한 장기에 생체 스트레스를 유발하였음을 밝혔다. 특히 과중력 스트레스는 간에서 AMPKα 신호를 포함한 에너지 항상성 유지에 혼란을 주었으며, 이는 반복적인 과중력 자극 훈련이 부분적으로 Nrf2 의존적인 AMPK 경로 복구에 의해 매개되어 과중력 스트레스에 대한 적응 능력을 향상시켰다는 것을 입증하였다. 또한 이러한 방어기전은 폭음 알코올 자극을 동반한 심화된 과중력 자극에서도 동일하게 적용됨을 발견하였다. 또한 과중력 자극에 의한 스트레스는 간 뿐만 아니라 신장에서도 ER 스트레스 발생을 통해 신장 기능 장애를 발생시킬 수 있음을 확인하였고, 이는 반복적인 과중력 자극훈련에 의한 miR-122의 작용에 의해 극복될 수 있음을 입증하여 우주 여행 중 과중력 스트레스 극복에 대한 새로운 정보를 제공하였다.

Gravity-related stresses experienced by living things vary depending on the research model, object, and observation index. Therefore, managing appropriate physiological responses and changes to aerospace missions requires an understanding of the effects of hypergravity on the human body. In this study, it was investigated whether single or repeated stimulation of hypergravity affects molecules related to energy metabolism using a mouse model. The expression of AMPK and its sub-signals in the liver was significantly suppressed after 6 hours after exposure to +9 Gz hypergravity stimulation for 1 hour and gradually returned to normal. However, the expression figures of the suppressed AMPK show normal levels when +9 Gz hypergravity stimulation is repeated three times, suggesting that it is adaptive by repeated multi-stimulus training. The cDNA microarray analysis revealed that 221 genes were significantly altered by +9 Gz gravitational stimulation, and confirmed that the inhibited genes contained Nrf2 target genes. Experiments with Nrf2 gene-deficient animals conducted to further confirm this confirmed that no recovery was shown through adaptation of AMPK signals induced by +9 Gz 3 repeated stimuli, indicating that Nrf2 plays a role in the recovery effect through adaptation of AMPKα. Overall, it is confirmed that +9 Gz gravity causes AMPKα signal inhibition effects with liver damage when given to mice, which can be overcome by adaptive responses caused by repeated hypergravity stimulation mediated by Nrf2. To further understand the effect of hypergravity stimulation on liver function, a representative liver toxicity model, alcohol binge-drinking intake and liver changes due to combined treatment of +9 Gz hypergravity stimulation were investigated. Alcohol binge drinking is known to cause mitochondrial dysfunction in liver cells. Therefore, we investigated how the combination of hypergravity stress and binge drinking intake affects AMPK and biological signals needed to survive hepatocytes. Immediately after the rat was subjected to +9 Gz of hypergravity stimulation for one hour, binge alcohol intake was carried out and Akt and PARP-1 levels were found to be inhibited in the liver after 24 hours. Furthermore, the level of AMPKα in the key molecules regulating energy metabolism was continuously reduced. Similarly, we inhibited levels of STAT3, FoxO1/3, C/EBP and CREB, the key transcription factors needed for cell survival. However, this change was not seen after three consecutive repetitive stimuli, indicating that adaptive responses caused by repeated hypergravity stimuli to hypergravity can overcome the effects of hypergravity and alcohol. In particular, the accumulation of proteins (i.e., ER stress) from the vesicle is observed in kidney disease. Protein levels of cell survival indicators decreased in the kidneys after acetaminophen administration after a single hypergravity stimulus, and kidney damage indicators increased, and ER stress-related indicators were expressed. It has also been confirmed that kidney damage in mice is overcome by hypergravity repetitive stimulation training. It was predicted that the increase in miR-122 levels in the kidneys would likely have originated in the liver, as the levels of multiple hypergravity stimuli and pri-miR-122 by APAP only increased in the liver, not in the kidney. It was found that hypergravity stimulation and APAP-induced stimulation caused kidney failure due to increased ER stress in the mouse's vivo, which can be overcome by increased production of miR-122 in the liver due to repeated hypergravity stimulation. Taken together, this study found that stimulation caused by hypergravity stress caused stress in organs including liver and kidneys. In particular, hypergravity stress has confused energy homeostasis maintenance including AMPKα signaling in the liver, which has been demonstrated that repeated hypergravity stimulation training has been mediated in part by Nrf2-dependent AMPK recovery, improving adaptability to hypergravity stress. This defense mechanism has also been found to be the same in intensified hypergravity stimulation accompanied by binge drinking alcohol stimulation. It is also confirmed that stress from hypergravity stimulation can cause kidney dysfunction through ER stress generation not only in the liver but also in the kidneys, which can be overcome by the action of miR-122 by repeated hypergravity stimulation training, providing new information on overcoming hypergravity stress during space travel.