Role of endogenous catalase in the regulation of renal function

Abstract

Chronic kidney disease (CKD) is a worldwide public health problem with adverse outcomes of kidney failure, cardiovascular disease, and premature death. Diabetes and obesity are important causes of CKD. Overproduction of reactive oxygen species (ROS) under elevated free fatty acid (FA) along with hyperglycemia plays an important role in diabetic nephropathy (DN), but the precise mechanism in the FA-induced renal injury has not been clearly understood. Catalase is a major antioxidant enzyme in the peroxisomes which carry out FA β-oxidation along with mitochondria. Therefore, I evaluated whether endogenous catalase protects kidney from elevated free FA-induced lipotoxicity through maintaining peroxisomal redox state in the diabetes and obesity. In part I, catalase null mice and catalase siRNA-treated murine mesangial cells (MMC) were utilized in order to determine whether catalase deficiency accelerates diabetic renal injury through peroxisomal impairment. Experimental diabetes was induced by multiple injections of low dose streptozotocin into wild-type (WT) and catalase knock-out (CKO) C57BL/6 mice. At four weeks after the induction of diabetes, equivalent hyperglycemia and free FA levels were observed in diabetic WT and diabetic CKO mice. However, parameters of DN including urinary albumin excretion (UAE), glomerular hypertrophy, and extracellular matrix (ECM) accumulation along with markers of oxidative stress were much more severe in diabetic CKO mice than diabetic WT mice. Catalase deficiency in CKO mice and mesangial cells cultured under high glucose and high free FA showed peroxisomal and mitochondrial impairment and mitochondrial ROS accumulation, which induced decreased FA β-oxidation and renal lipid accumulation. These data suggest that catalase deficiency may predispose the kidney to diabetes-induced stress. Then, the question remains whether catalase deficiency will cause FA-induced renal injury at the absence of hyperglycemia. Therefore, I investigated the role of catalase in the high fat (HF) diet-induced renal injury in CKO mice in part II. CKO mice fed with HF diet for 11 weeks (CKO-HF) showed increased body weight, plasma insulin, HbA1c, and plasma free FA compared to WT-HF mice. Parameters of renal injury including increased plasma creatinine, UAE, glomerular hypertrophy, and ECM accumulation were accelerated in the CKO-HF mice compared to WT-HF mice. CKO-HF mice also exhibited increased de novo lipogenesis along with decreased FA oxidation in the kidney compared to WT-HF mice. The aged CKO mice (40-week-old) showed accelerated renal injury, peroxisomal impairment, and decreased FA oxidation compared to the young CKO mice (10-week-old). In addition, catalase deficiency increased hypertrophy and inflammation in the perirenal fat leading to secretion of proinflammatory cytokines, which may play a role in accelerating renal injury. In conclusion, the present data provide unprecedented evidence that free FA-induced peroxisomal dysfuction exacerbates FA-induced renal injury and that endogenous catalase is an important antioxidant enzyme that protects the kidney through peroxisomal and mitochondrial fitness under elevated free FA in the diabetes or obese stress.;만성신장병은 신부전, 심뇌혈관질환의 유병율 및 사망률을 증가시키는 심각한 질환으로, 인구의 고령화로 함께 유병율이 증가하고 있지만 탁월한 치료법이 부재한 상태이다. 당뇨병과 비만은 만성신장병의 주요원인으로, 당뇨병 진행시 고혈당으로 인한 활성산소종의 증가가 당뇨병성 신증을 포함한 혈관합병증의 주원인으로 받아들여지고 있다. 당뇨병 진행시 혈당과 함께 혈중 지방산이 증가하지만, 혈중 지방산 증가에 따른 신손상에 대한 연구는 아직 미흡한 실정이다. 페록시좀은 미토콘드리아와 함께 지방산 및 활성산소종의 대사에 관여하는 중요한 세포 소기관이고, catalase는 페록시좀내 대사과정에서 생성되는 대부분의 과산화수소를 제거하여 페록시좀내 산화환원환경을 조절한다. 하지만, 비만 및 당뇨병에 의한 신증 진행 기전에서 catalase및 페록시좀의 역할에 대한 연구가 미흡한 실정이다. 그러므로, 본 연구는 당뇨병 혹은 비만 상태에서 지방산 증가에 따른 신손상에 대한 catalase의 보호기전에 대하여 연구하였다. Part 1에서 catalase 결핍에 따른 페록시좀 손상이 당뇨병성 신증을 악화시키는지 알아보기 위하여 catalase 결핍 생쥐와 catalase 결핍 사구체 간질 세포주(MMC)를 사용하였다. 실험적 당뇨병은 저용량 streptozotocin을 5일 동안 투여하여 유도하였고, 당뇨병 유도4주후 생쥐를 희생하여 분석하였다. 당뇨병 유도 4주 후에, catalase 결핍(CKO) 생쥐와 야생형(WT) 생쥐간에 혈당 및 지방산 증가 차이는 없었으나, 당뇨병성 신증의 지표인 뇨중 알부민 배설, 사구체 비대, 세포외 기질 축적 및 산화적 스트레스가 당뇨병을 유도한 CKO 생쥐에서 야생형에 비하여 유의하게 증가하였다. 당뇨환경에 노출된catalase 결핍 생쥐 및 MMC에서 페록시좀 및 미토콘드리아 손상과 미토콘드리아 내 활성산소종의 축적이 증가하였고, 이는 지방산 산화 감소에 의한 신장 및 MMC내 지질축적을 유도하였다. 이는 catalase가 페록시좀내 산화환원환경을 유지하여 당뇨병성 신증에 대한 보호작용이 있음을 시사하였다. 하지만, 제 1형 당뇨모델은 고포도당 대사로 인한 스트레스가 지배적이므로, 지질대사 변화에 의한 신손상 진행시 catalase 역할을 심도있게 규명하기 위하여Part 2에서 고지방식이로 인한 신손상에서 catalase 보호기전에 대하여 연구하였다. 11주 동안 고지방식이를 한 40주령 CKO 생쥐는 WT 생쥐에 비하여 체중, 혈중 인슐린 농도, HbA1c, 및 혈중 지방산이 증가하였고, 신손상의 지표인 혈중 크레아티닌, 뇨중 알부민 배설, 사구체 비대 및 세포외 기질 축적이 증가하였다. 고지방식이를 투여한 CKO 생쥐는 신장 및 신장 주변 지방 조직내 지방산 신합성의 증가와 지방산 산화의 억제가 WT 생쥐에 비하여 증가하였고, 이는 지질 축적을 유도하였다. 또한, 40주령 CKO 생쥐는 10주령 CKO 생쥐에 비하여 신손상 및 페록시좀 기능 감소가 증가하였다.그리고, 신장 주변 지방조직내 비대 및 염증 반응의 증가가 염증성 사이토카인 분비를 촉진하여 신손상을 악화시킬 수 있음을 시사하였다. 결론적으로, 본 연구는 혈중 지방산 증가시 catalase 결핍에 의한 페록시좀 손상이 신손상을 악화시킬 수 있음을 제시하였다. 이는 catalase 및 페록시좀의 기능 강화가 비만 혹은 당뇨병으로 인한 신손상을 비롯한 혈관합병증에 대한 중요한 치료점임을 시사하였다.