생쥐의 시상하부에서 전사조절인자 TonEBP에 의한 AVP 발현 조절에 관한 연구

Abstract

The hyperosmotic environment causes stress in most organism. So, accurately controlling the volume or osmolality of body fluids is a fundamental element of survival in a hypertrophic environment. It involves interaction of control center called the hypothalamic-neurohypophyseal system (HNS) and the filtration machinery of the kidney. The HNS controls osmotic stress through the synthesis and release of the neuropeptide hormone, arginine vasopressin (AVP) in paraventricular nuclei (PVN) and supraoptic nuclei (SON). AVP is released into the kidneys and promotes reabsorption of water. However, the transcription factor that regulates the AVP gene expression by hyperosmolality and the mechanism are still unknown. Cells accumulate compatible osmolytes like a sorbitol, betaine, myo-inositol to survive against hypertonicity. The compatible osmolyte is catalyzed by the aldose reductase (AR), betaine transporter (BGT1) and sodium/myo-inositol cotransporter (SMIT). Tonicity-responsive enhancer binding protein (TonEBP) is an essential transcription factor that regulates cellular homeostasis. It contorols the expression of osmoprotective gene such as AR, BGT1 and SMIT in response to hypertonicity condition. TonEBP expressed in many tissue but is mainly expressed in the hypothalamus of the brain. In particular, the expression of TonEBP increases in response to hyperosmotic stimulation in PVN and SON in which AVP is synthesized. Therefore, the purpose of this study is to investigate the role of the transcription factor TonEBP in the regulation of AVP gene expression in hypertonicity condition. TonEBP also increases AR to control hyperglycemia status in diabetic retinopathy as well as hyperosmotic condition. Persistent hyperglycemia leads to Hyperosmolar hyperglycemic syndrom (HHS), which causes severe dehydration. Thus, in this study, we investigated the relationship between TonEBP and AVP in extreme dehydration due to diabetes. First, we identified the relationship between TonEBP and AVP in vitro and in vivo. The mRNA level of TonEBP and AVP was increased in the hyperosmotic condition treated with NaCl in SH-SY5Y cells and the dehydrated mouse. Colocalization of TonEBP and AVP was increased by immunohistochemistry in the hyperosmotic condition due to dehydration. Also, direct binding of TonEBP to the AVP promoter was shown by chromatin immunoprecipitation. The mRNA level of TonEBP and AVP was increased in streptozotocin-induced diabetes model. These results suggest that TonEBP regulates the expression of AVP gene in response hypersomotic condition sush as dehydration and increased osmolality by glucose in the mouse hypothalamus.|고장성 환경은 대부분의 기관의 세포들에게 스트레스를 일으킨다. 고장성 환경에서 체액의 volume이나 osmolality를 정확하게 조절하는 것은 생존의 기본 요소이다. 이것은 뇌의 hypothalamic-neurohypophyseal system (HNS)이라고 불리는 중앙 센터와 신장의 여과 시스템의 상호작용을 포함한다. HNS는 paraventricular nuclei (PVN)와 supraoptic nuclei (SON)에서 neuropeptide hormone인 arginine vasopressin (AVP)을 합성하고 분비함으로써 osmotic stress를 조절한다. 이러한 AVP는 신장으로 분비되어 물의 재흡수를 촉진시키는 역할을 한다. 그러나 아직까지 hyperosmolality에 의해 유도되는 AVP의 발현을 조절하는 전사조절인자와 그 기작은 명확히 밝혀지지 않았다. 또한 세포는 고장성 환경에서 살아남기 위하여 sorbitol, betain, myo-inositol과 같은 compatible osmolyte를 축적한다. 이러한 compatible osmolyte들은 각각 aldose reductase (AR), betaine transporter (BGT1), sodium/myo-inositol cotransporter (SMIT)에 의해서 만들어진다. Tonicity-responsive enhancer binding protein (TonEBP)는 cell의 항상성을 조절하는 필수적인 전사조절인자로서 hypertonicity-induced osmotic stress에 반응하여 AR, BGT1, SMIT와 같은 osmoprotective gene의 발현을 조절한다. TonEBP는 여러 조직에서 발현되지만 주로 뇌의 시상하부에서 발현된다고 알려져 있다. 특히 AVP가 합성되는 PVN과 SON에서 hyperosmotic 자극에 반응하여 TonEBP의 발현이 증가한다. 따라서 이 연구에서는 고장성 환경에서 AVP의 조절에 TonEBP가 어떠한 역할을 할 것인가에 대해 규명하고자 한다. 또한 TonEBP는 hyperosmotic 자극에 대해서 뿐만 아니라 diabetic retinopathy에서 hyperglycemia 상태를 조절하기 위하여 증가되고 AR을 증가시킨다. 이러한 당뇨와 같은 hyperglycemia 상태가 지속되면 당뇨병성 고혈당 삼투압 증후군 (Hyperosmolar hyperglycemic syndrom)이 생기는데 이 증후군은 극심한 탈수를 야기한다. 따라서 이 연구에서는 당뇨에 의한 극심한 탈수상태에서도 TonEBP와 AVP의 관계를 확인하고자 한다. 먼저 TonEBP와 AVP의 관계를 in vitro와 in vivo에서 확인하였다. SH-SY5Y 세포에서 NaCl을 처리한 고장성 모델과 쥐의 수분 섭취를 제한한 탈수 모델에서 TonEBP와 AVP의 mRNA 양이 증가되었다. 탈수로 인한 고장성 환경에서 면역조직화학법으로 TonEBP와 AVP의 colocalization이 증가되었다. 또한 Chromatin immunoprecipitation assay를 통해 TonEBP가 AVP promoter에 직접 결합하여 AVP를 조절하는 것을 확인하였다. streptozotocin에 의해 유도된 당뇨모델에서도 TonEBP와 AVP가 증가 되었다. 이러한 결과들은 쥐의 시상하부에서 탈수나 당에 의한 osmolality 증가와 같은 고장성 환경에 반응하여 TonEBP가 AVP의 발현 조절을 할 것이라 시사한다.