Protective Role of Sulfiredoxin in Oxidative Stress-induced Apoptosis

Abstract

Peroxiredoxin (Prx)은 reactive oxygen species (ROS) 중의 하나인 hydrogen peroxide (H₂O₂)를 제거하는 peroxidase 활성을 갖는 단백질이다. Prx는 자신의 효소활성부위에 존재하는 cysteine이 산화되면서 H₂O₂를 물로 환원시킬 수 있는 peroxidase 활성을 갖는다. Prx는 포유동물에서 6개의 isoform들 (I~VI)이 밝혀져 있고, 이들은 세포 내 거의 모든 부분 (세포질, 미토콘드리아, 핵, peroxisome, endoplasmic reticulum)에 존재한다. Prx가 H₂O₂를 제거하는 과정에서 과량의 H₂O₂가 존재할 때 일부의 Prx는 활성부위의 cysteine thiol (-SH)이 sulfenic acid (-SOH)를 거쳐 sulfinic acid (-SOOH)로 과산화되어 peroxidase 활성을 잃어버린다. 포유동물에서 sulfiredoxin (Srx)은 이렇게 과산화되어 활성을 잃어버린 2-Cys Prx (Prx Ⅰ~Ⅳ)들을 복구시키는 역할을 담당하는 cysteine sulfinic acid reductase로 작용한다. H₂O₂를 포함한 ROS들이 과량 존재할 때 발생되는 산화적 스트레스는 세포에 손상을 입히게 되고, 결국 세포사멸 (apoptosis)을 유발하게 된다. 한편, 세포들에서는 산화적 스트레스를 받으면 사멸되는 것을 극복하기 위해서 Prx를 포함한 다양한 항산화효소들이 방어작용을 하게 된다. 그런데, 세포 내에 항산화단백질인 2-Cys Prx가 과량의 H₂O₂에 의해 과산화되어 불활성화된 Prx가 증가된다면, 사멸작용에 대한 저항작용을 효과적으로 발휘할 수 없게 될 것이다. 이러한 상황에서 Srx는 불활성화된 Prx를 복구시켜 H₂O₂를 효과적으로 제거하도록 하여, 결국은 산화적 스트레스로 인한 세포사멸을 억제시키는 중요한 인자로 작용할 것으로 예상되었다. 본 연구에서는 RNA interference를 응용하여 Srx의 발현이 억제된 세포주를 구축하였고, glucose oxidase를 이용하여 생성되는 저농도의 H₂O₂에 세포들을 계속적으로 노출시켰다. 이 때 Srx의 발현이 억제된 세포들에서 나타나는 세포사멸 및 이와 관련된 신호전달계의 변화를 대조군과 비교하였다. Srx의 발현이 억제된 A549 세포주는 대조군에 비하여 세포 외부의 H₂O₂농도가 10시간 이후에 급격히 증가되었고, 이에 따라 세포 내 ROS level과 2-Cys Prx인 Prx I, II, III의 과산화도 아울러 증가되었다. 그리고, 미토콘드리아 막전압의 탈분극 증가, 미토콘드리아 막성분인 cardiolipin 산화 증가, cytochrome ｃ의 세포질로의 방출 증가, 이에 따른 caspase-3와 -9의 활성 증가 및 세포사멸의 증가 등이 관찰되었다. 이상의 결과들을 종합해 볼 때, Srx는 H₂O₂가 유발하는 산화적 스트레스에 의해 포유동물의 세포가 사멸되는 것을 방어하는 중요한 인자로 작용한다는 것을 알 수 있다. 그리고, 산화적 스트레스에 의한 인체 내 산화환원 신호전달체계의 변형과 밀접한 관련이 있는 심혈관계 질환, 퇴행성 뇌질환, 당뇨, 암, 노화 등의 진행을 억제하는 인자들 중의 하나로서 Srx도 작용할 수 있는 가능성을 제시할 수 있다.;Peroxiredoxin (Prx) is a family of peroxidases that are able to scavenge H₂O₂. While eliminating H₂O₂, sometimes catalytic cysteine thiol (Cys-SH) of Prxs are overoxidized and reversibly inactivated to cysteine sulfinic acid (Cys-SO₂H). When 2-Cys Prxs (Prx Ⅰ~ Ⅳ) are inactivated, sulfiredoxin (Srx) induces a reversion Cys-SO₂H to reduced Cys-SH. Accumulating evidences suggest a regulatory function of Prxs in apoptotic cell death. In this study, we examined whether Srx plays a role as a survival factor, protecting cancer cells from progression of apoptosis under oxidative stress. To examine a loss-of-function of Srx, we established A549 cell line stably expressing small hairpin RNA, which enable to deplete Srx. The cellular ROS level after treatment of glucose oxidase (GOX) was more increased in Srx-depleted cells than that of control cells. Depletion of Srx sensitized cells to induction of apoptosis by oxidative stress. The rates of mitochondrial membrane potential collapse, cytochrome c release, and caspase activation were increased in Srx depleted cells. These results suggest that Srx is an important downregulator in progression of apoptosis under oxidative stress.