Transduction of Cu,Zn-superoxide dismutase into SH-SY5Y cells using a novel protein transduction domain derived from TCTP

Abstract

Oxygen, which is a life-giving molecule, can be dangerous by producing excessive reactive oxygen species (ROS), and the generation of ROS is inevitable for utilization of oxygen. At normal condition, ROS is not problematic because antioxidant defense mechanism properly scavenges ROS maintaining balance between generated ROS and eliminated ROS. However, excessive ROS in the brain cause neurotoxicity which induces neurodegenerative disease and ischemia. Since Cu,Zn-SOD lies on the first line of antioxidant defense mechanism, it has been studied to prevent ROS-induced neurotoxicity; however, it is not common to use SOD protein as a clinical medicine because of its poor pharmacological properties. Protein transduction domain (PTD) also called cell penetrating peptide (CPP), a cationic peptide consisted of 10~16 amino acids with ability to traverse biological membrane. Discovery of PTDs opened new strategies to deliver therapeutic agents to various cell lines and tissues. So far, various cargos have been applied in PTD technology: proteins, nucleic acids, imaging agents, nanoparticles, lipsomes, and oligonucelotides. Furthermore, the application of PTDs has been studied in various fields of diseases, such as cancer, inflammation, and ischemia. In this study, I tried to apply TCTP-PTD, which was found in our group recently, to deliver Cu,Zn-SOD into various cell line including HeLa, HaCaT and SH-SY5Y cells. I confirmed that TCTP-SOD was successfully delivered into cells without cell specificity, and its biological activity of transduced protein in vitro and in vivo under oxidative stress. Even though larger dose and longer time is required for transduction, TCTP-SOD has advantages when compared to TAT-SOD. TCTP-SOD has protective effect against kainic acid-induced neuronal damage in mouse with potentials of transducing more effectively into brain than TAT-SOD. With all these results, I suggest TCTP-SOD as a novel candidate for treatment of brain diseases.;생명 유지에 필요한 산소는 과다한 활성 산소를 생성하는 위험한 물질이 될 수 있으며, 활성 산소의 생성은 산소의 이용에 있어서 불가피하다. 정상 상태에서는 항산화 기전에 의해 활성산소의 생성과 소멸의 균형을 맞추기 때문에 문제를 일으키지 않는다. 그러나 뇌에 존재하는 과다한 활성산소는 신경퇴행성 질환과 ischemia를 유도하는 신경 독성을 야기한다. Cu,Zn- Superoxide dismutase (SOD)는 항산화 기전의 제일 첫번째 줄에 있으므로 활성산소에 의한 신경 독성을 보호하는 목적으로 연구되어왔다. 그러나, SOD는 약제학적 특성이 좋지 않기 때문에 치료제로서는 사용 되는 일은 매우 드물다. Protein transduction domain (PTD) 또는 cell penetrating peptide (CPP) 라고 불리는 물질은 생물학적 막을 투과할 수 있는 능력을 가진 10~16개의 아미노산으로 구성된 작은 펩타이드이다. PTD의 발견은 치료제를 다양한 세포 또는 조직으로 투과시키기 위한 새로운 전략을 제시하였다. 현재까지, 단백질, 핵산, 영상 물질, 나노 입자, 리포좀, 올리고뉴클레오타이드와 같은 다양한 물질들이 PTD 기술에 적용되었다. 더 나아가, PTD의 적용은 암, 염증 작용, ischemia와 같은 다양한 분야의 질병에서 연구되고 있다. 본 연구에서는 최근 본 연구실에서 처음 발견된translationally controlled tumor protein (TCTP)에서 유래한 PTD를 Cu,Zn-SOD의 HeLa, HaCaT, SH-SY5Y 세포로의 전달에 적용하였다. TCTP-SOD는 세포 특이성 없이 성공적으로 세포막을 투과하였으며, 세포 내로 전달된 단백질은 생물학적 활성을 지니는 것을 세포실험과 동물실험을 통하여 확인하였다. 비록 높은 농도와 긴 시간처리가 필요하지만, TCTP-SOD는 TAT-SOD에 비하여 장점들을 지니고 있는 것으로 밝혀졌다. TCTP-SOD는 kainic acid에 의한 신경 세포 손상에 대하여 보호 효과를 보였으며, 이는 TAT-SOD보다 더욱 효율적으로 뇌에 전달되는 것을 시사하였다. 일련의 결과들은 TCTP-SOD가 뇌 질환을 치료하는데 있어 우수한 후보 물질이 될 수 있다는 점을 보여준다.