The Study for the Sensitivity of Peroxiredoxin III knockout mice in MPTP-induced Parkinson’s disease Model

Abstract

Parkinson’s disease (PD) is a progressive, primarily motor neurodegenerative disease that is characterized by loss of dopaminergic (DA) neurons within the substantia nigra (SN). The main clinical features of PD include tremor, bradykinesia, rigidity, and postural instabiligy. Cell death in PD has been associated with impaired mitochondrial function and increased oxidative stress. Peroxiredoxins (Prxs) are a family of peroxidases that reduce hydrogen peroxide and alkyl hydroperoxides to water and alcohol, respectively, with the use of reducing equivalents provided by thiol-containing proteins. Among the six isoforms identified in mammals, Prx III is exclusively localized to mitochondria and has been implicated in several pathologies associated with oxidative stress. To investigate the influence of a mitochondrial Prx on cellular homeostasis and on the ability to handle oxidative stress, first, we used Prx III knockout mice in 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrapyridine (MPTP) -induced Parkinson’s disease model. 1-methyl-4-phenylpyridinium (MPP+), the ultimate toxic metabolite of MPTP, is a complex I inhibitor which induces ATP depletion and stimulates reactive oxygen species (ROS) production. After administration of MPTP, we didn’t find significant differences between Prx III knockout mice and wild-type littermates as revealed by counting of tyrosine hydroxylase (TH) - immunoreactive dopaminergic neurons in SNpc and measuring the intensity of dopaminergic fibers in striatum. The degree of microglial activation, a marker of inflammation, was not further enhanced in Prx III knockout mice. To examine further the function of Prx III in cellular level, we silenced the expression of Prx III by using small hairpin RNAs in mouse dopaminergic cell lines, SN4741 cells. Our data indicated that Prx III-depleted SN4741 cells are more prone to oxidative damages and cell death in the presence of three PD-related neurotoxins, MPP+, and 6-hydroxydopamine (6-OHDA), paraquat (PQ). Based on these data, it seems that Prx III has a protective role against mitochondrial oxidative stress at least in vitro. But Prx III may not be important to handle oxidative stress in DAergic neurons in vivo.;파킨슨병은 진전, 운동 완만, 경축, 자세 불안정을 주요 특징으로하는 점진적인 신경퇴행성 뇌질환으로, 흑색질 도파민성 신경세포의 사멸과 줄무늬체 분포 신경섬유의 소실에서 기인한다고 알려져 있다. 사립체 기능이상과 산화적 스트레스 항진이 파킨슨병에서 도파민 신경계의 세포 손상에 관여한다. Peroxiredoxin (Prx)는 thiol 기로부터 전자를 받아 과산화수소와 alkyl hydroperoxide를 각각 물과 알코올로 환원시켜주는 peroxidase의 한 구성원으로 포유류에서는 여섯 종류의 Prx가 밝혀졌다. 이 중에서, Prx III는 사립체에만 한정적으로 분포하며, 산화성 스트레스와 관련된 여러 가지 병리현상에서의 연관성이 확인되어왔다. 본 연구에서는 사립체에 존재하는 Prx가 산화성 스트레스가 가해진 병리적 상태에서의 세포내 항상성유지와 대응에의 역할규명을 목적으로 하였다. 이를 위하여 먼저, 파킨슨병 유발독성 물질인 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrapyridine (MPTP) 를 마우스에 투여하는 동물모델을 이용하였다. 1-methyl-4-phenylpyridium (MPP+) 는 MPTP의 활성 대사물로, 신경세포에 들어가 사립체 전자 이동사슬의 복합체 I활성을 억제하여 ATP의 생성 억제, 사립체 막전위의 붕괴와 활성산소의 생성증가를 일으킨다. MPTP를 wild-type 마우스군과 Prx III 결핍 마우스군에 투여하였고, 도파민성 신경세포의 표지항체인 tyrosine hydroxylase (TH)를 이용한 immunohistochemistry 방법으로 확인하였다. 흑색질에서 살아남은 도파민성 신경 세포의 수를 집계하고, 줄무늬체의 도파민성 신경섬유의 명암을 측정하였으며, 그것을 분석한 결과, 두 집단에서 큰 차이가 없음을 확인하였다. 또한 파킨슨병에서 뇌 조직인 퇴행성 변성이 염증에 의해 이루어진다고 알려져 있으므로, 그것의 표지로써 microglia의 활성화된 정도를 두 집단에서 확인해 본 결과 큰 차이를 보이지 않았다. 세포차원에서 Prx III의 역할을 알아보기 위해서, small hairpin RNA로 RNA 간섭현상을 통해 마우스 흑색질 유래 세포주인, SN4741 cell, 에서 Prx III의 발현을 낮춘 모델을 이용하였다. 이렇게 만들어진 세포주를 파킨슨병을 유발하는 세 가지 신경독성 물질인 MPP +, 6-hydroxy-dopamine, paraquat에 노출시켰을 때, Prx III 단백질 발현이 감소된 세포주가 대조군보다 세포사멸과 산화적 손상에 더 취약하고 기본적으로 ROS가 높은 것을 관찰하였다.