신장 섬유화 새로운 메커니즘

2022년 3월 남방의대 저우리리 교수팀은 엑소좀 분야 최고 저널인 Journal of Extracellular Vesicles(IF=25.841)에 β-catenin-controlled tubular cell-derived exosomes play a key role in fibroblast activation via the OPN-CD44 axis라는 제목의 최신 성과를 발표했다. 이 연구는 엑소좀이 유도하는 OPN-CD44 신호축의 활성화가 β-catenin 신호로 제어되며 신장 섬유화 과정에서 핵심적인 역할을 한다는 사실을 밝혀냈다.

연구 배경

신장 섬유화는 각종 만성 신장병이 말기 신장병까지 진전되는 공통 병리적 특징이며, 신소관 상피세포와 섬유아세포(Fibroblast)는 신장 섬유화의 주요 참여자다.최근 연구에서 이들 간의 정보 전달은 기능성 단백질과 유전자 운반체인 엑소좀(exosome)에 의해 유도될 수 있다는 것이 밝혀졌지만 자세한 메커니즘은 아직 명확하지 않다.엑소좀은 지질 이중낭포의 일종으로 분비와 엔도시토시스(endocytosis)를 통해 각종 생물분자를 가지고 혈액, 소변, 심지어 모유에도 운반된다. 

OPN (osteopontin) 은 세포 외 기질 당인산단백질이다. 이 수용체 CD44와 컨버전스 베타3와의 결합을 통해 세포 부착, 증식, 침습 및 사멸을 유도하고 조직의 섬유화 과정에서 작용한다(2,3). 질병 상태에서 전장 OPN은 보통 하나의 N단 부분(~50kDa)과 두 개의 C단 부분(~18kDa와~16kDa)으로 절단된다. N-OPN(N-OPN)은 일련의 병리적 변화를 일으키는 주요 OPN의 활성 형태일 수 있다. 신장 손상에서의 N-OPN의 역할은 아직 알려지지 않았다.

기술 노선

연구 결과

β-catenin이 신장섬유화에서 엑소좀 OPN/CD44 신호축을 조절하는지 탐구하기 위해 Cre-LoxP 시스템을 사용하여 신장소관 특이성 β-catenin 유전자 녹아웃 마우스(본 실험에서 신장소관 특이성 β-catenin 유전자 녹아웃 마우스 모델은  Cyagen에서 제공함)를 구축하였다.우리는 신장섬유화 UUO 모델을 구축하여 WB, 면역형광, 면역체계화, 전사조 시퀀싱을 운용하고 있다. 엑소좀 추출 등 다양한 방법으로 β-catenin을 두드려 제거하면 신장섬유화가 덜함을 확인하였으며, β-catenin은 엑소좀 OPN/CD44 신호축의 강력한 제어기이다.

그림 1. β-catenin 차단 엑소좀 OPN/CD44 신호축 전도를 녹아웃하여 신섬유화를 경감한다[5]

또한, 신장 섬유화 CD44 에서 OPN 수용체의 역할을 탐구하기 위해 연구원들은 CD44 전녹아웃 마우스 (CD44-/-) (이 실험에서 사용된 CD44 유전자 녹아웃 마우스 모델은 Cyagen에 의해 제공됨) 를 구축했다. 면역조성화와  Western blot 실험에서 CD44의 성공적인 녹아웃을 확인한 UIRI 모델(일종  CKD모델)을 만들었다. 신장 섬유화에서 CD44의 역할을 명확히 하기 위해 생화학 분석기를 사용하여 신장 기능을 측정하고 면역 형광, MASSON 염색, Western blot, 전사체 정렬 등을 실험하여 UIRI 모델에서 CD44를 녹아웃하면 신장 섬유화가 경감된다는 것을 확인하였다.

그림 2 신장 섬유화 감소를 위해 CD44 녹아웃 [5]

연구팀은 이전 연구에서 신소관에서 파생된 엑소좀이 그 안에 있는 Shh 신호를 통해 섬유세포로 활성화되도록 유도해 신장 섬유화를 일으킨다는 사실을 밝혀냈다[4]. 본 연구에서 신장소관 공급원의 엑소좀이 신장 섬유화 중 어떤 역할을 하는지 계속 탐구한 결과, 신장소관 세포에서 파생된 엑소좀 OPN 이 CD44 신호 전도를 통해 신장 섬유화 촉진에 핵심적인 역할을 한다는 사실이 밝혀졌다.

그림 3 신소관에서 분비되는 엑소좀 OPN은 신섬유화를 촉진하는데 핵심적인 역할을 한다[5]

결론

이 연구는 콩팥소관 특이성 β-catenin 유전자 녹아웃 마우스와 CD44 유전자 녹아웃 마우스를 결합해 β-catenin이 신장 섬유화 중 엑소좀 OPN을 조절하는 메커니즘을 처음으로 밝혀냈다. β-catenin은 신장소관세포와 섬유아세포의 정보를 교류하는 주 제어기로 손상된 신장소관세포의 엑소좀 분비와 OPN 표형을 촉진한다. OPN은 콩팥관상세포에서 파생된 엑소좀에 싸여 있다가 간질성 섬유아세포로 옮겨져 그 수용체 CD44와 결합해 근성 섬유세포의 활성화를 유도하는데, 소변 속 N-OPN은 CKD 진행과 콩팥 섬유화의 표시물로 사용될 수 있다.

그림 4. 엑소좀 OPN／CD44 축 신장 섬유화 조절의 잠재적 메커니즘 다이어그램 [5]

Cyagen은 유전자 녹아웃 마우스, 조건성 녹아웃 마우스 및 해량 돌연변이 위치 마우스 품계를 망라하여 강력한 데이터베이스로 보다 편리한 경험을 선사하며, 연구자들이 온라인으로 유전자 편집 방안을 조회하고 설계하고 최적화하여 연구 데이터와 성과를 비교하고 주문 상담을 할 수 있다.

Cyagen은 CD44, β-catenin(CTNNB1) 등의 시리즈를 포함한 완전한 마우스 녹아웃과 조건부 마우스 모델을 녹아웃한다.

참고 문헌:

1. Guan, H.,et al. 2020. Injured tubular epithelial cells activate fibroblasts to promote kidney fibrosis through miR-150-containing exosomes. Experimental Cell Research.

2. Bai, G., et al. 2020. Stimulation of THP-1 Macrophages with LPS Increased the Production of Osteopontin-Encapsulating Exosome. Int J Mol Sci.

3. Kaleta, B. 2019. The role of osteopontin in kidney diseases. Inflamm Res.

4. Liu X, et al. 2020. Tubule-derived exosomes play a central role in fibroblast activation and kidney fibrosis. Kidney Int.

5. Shuangqin Chen,et al. 2022. β-catenin-controlled tubular cell-derived exosomes play a key role in fibroblast activation via the OPN-CD44 axis. Journal of Extracellular Vesicles.