Lipolysis-induced mitochondrial H2O2 regulates brown remodeling

Abstract

Peroxiredoxin (Prx) exhibits peroxidase and chaperone activities. Also, Prx expresses six isoforms (Prx I to Prx VI) in mammalian cells. They can be severed into three subclasses, 2-Cys ( Prx I – Prx IV), atypical 2- Cys (Prx V), and 1- Cys (Prx VI)3. Prx on the basis of the number and position of Cysteine residues that participate in catalysis1. The cysteine sulfenic acid reacts with COOH- terminal conserved Cys-SH of the other homodimer to form a disulfide, which is then reduced by Thioredoxin (Trx)3-5 [Figure 1]. Most of all, Prx III which is localized in mitochondria belongs to the 2-Cys Prx and maintiainsthe balance between mitochondrial H2O2 production and elimination6. The conserved NH2 - terminal Cys-SH of Prx III is converted to cysteine sulfinic acid by a mitochondrial ROS. Hyperoxidation of Prx III which is inactive form of Prx III was detected in excessive H2O2 and demonstrated that hyperoxidationof Prx III was reversibility reduced by sulfiredoxin (Srx)7which translocates under oxidative stress. The peroxiredoxin (Prx) family undergo inactivation through hyperoxidation of the catalytic cysteine to sulfinic acid during catalysis and are reactivated by Srx. Prx III, a mitochondrion - specific enzyme, was detected in the sulfinic form in the Brown adipose tissue (BAT) of mice maintained under normal condition;however, it’s process and mechanism are unclear. Adipose tissue plays a necessary role in regulating energy balance through its metabolic, cellular and endocrine function. Adipose tissue has been historically classified into white adipose tissue and brown adipose tissue. In contrast to white adipose tissue (WAT) , which is specialized for the storage of excess energy, BAT can disperse stored energy as heat8. Activation of PKA by β3-AR controls the transcription of nuclear factors such as PGC-1α, ATF2 to increase mitochondrial biogenesis and UCP1 expression9 [Figure 2]. Also, inactivation of Prx III triggers a sequence of events including accumulation of H2O2, activation of p38 mitogen- activated protein kinase2. In this study, various approaches adopted indicate that such a buildup of mitochondrial H2O2 as the resulting beta oxidation in lipolysis, results in the activation of p38 MAPK. We show that mitochondrial H2O2 accumulated by beta-oxidation in lipolysis promotes the browning of WAT.;페옥시레독신(Prx)은 과산화수소를 물로 전환하는 단백질의구성원으로이를 위해 사이오레독신(Trx)을 환원당량으로서 사용한다. 촉매과정에서 Prx는 그것이 포함하는 촉매를 위한 시스테인의 잔기가 술핀산으로 전환되어 과잉산화 되면서 자신이 지니는 페록시다아제로서의 활성을 잃게된다. 이 때 활성을 잃은 Prx를다시 활성화 시켜 세포를 보호하는 기능을 하는 효소가 설피레독신(Srx) 이다. 또한 Prx는 산화적 스트레스로 인한 신호들을 전환하는 산화환원 센서로서 작용한다. Prx는 포유동물에서 총6종류의 isoform 이 있으며 Prx1 과 2는 세포질에 존재하고, Prx3 는 예외적으로 미토콘드리아에 존재한다. 미토콘드리아는 H2O2를 생성하는 주요 세포 소기관 이며, 이 곳에서 생성된 H2O2는 세포신호전달 과정의 두 번째 신호전달자 이자, 중요인자로서 작용 한다. 미토콘드리아에서 Prx3 는 산화환원 세포신호전달 과정에서 중요한 역할을 하지만, 그 메커니즘은 아직 불분명하다. 이번 연구에서 미토콘드리아에서 발생하는 H2O2가 백색지방세포의 갈색지방세포로의 변화에 어떤 역할을 하는지 밝히고자 한다. 지방세포가 cAMP/PKA 경로에 의해 TG 에서 FFA 로 분해되는데, 이 때 베타 옥시데이션이 일어나게 된다. 이 과정에서 H2O2가 생성된다. 이 때 생성된 H2O2가 백색지방세포의 갈색화에 영향을 줄 것이라는 가정하에 실험을 진행하였다. 지방세포는 백색지방세포와 갈색지방세포 그리고 최근에 그 중간 형태인, 베이지색지방세포가 보고되고 있다. 백색지방세포는 에너지의 저장기능, 갈색지방세포는 열을 내서 에너지를 분출하는 기능을 한다고 알려져 있는데 이 둘의 기원이 되는 세포는 서로 다르다. 하지만 최근에 이미 분화된 백색지방세포가 갈색지방세포로 변하는 것 에 대한 여러 연구가 소개되고 있고, 이는 에너지대사측면에서 볼 때 비만과 관련된 질병의 치료에 매우 도움이 되는 연구로서 가치가 있다. 마우스에서 백색지방세포와 갈색지방세포의 Prx 레벨과 술핀산Prx3 레벨을 관찰했을 때, 갈색지방세포에서 훨씬 많이 관찰되었고, 이는 갈색지방세포의 에너지분출과정에 미토콘드리아의 H2O2가 연계 될 가능성을 시사한다. 마우스 에 지방세포의 갈색화를 유도하는 CL 을 주사하였을 때, 갈색지방세포의 대표적인 마커 유전자인 p-p38, UCP1, PGC-1α, FGF21 이 마우스의 백색지방세포에서 크게 증가하는 것을 관찰 하였다. 이 때, Srx 의 증가도 관찰되는데, 우리연구에서의 Srx 증가는 AP-1 에 의한 것임을 Nrf2 마우스와 세포모델에서의 inhibitor 실험을 통해 밝혀냈다. 또 우리는 이 연구에서, 아직 분화 되지 않은 갈색지방세포를 충분히 분화시킨 세포모델에서도 베타 아드레너직리셉터의 자극으로 인해 cAMP/PKA 경로를 따라 UCP1 이 증가되는 메커니즘을 관찰 하였다. Srx를 낮춘 세포모델을 만들어서 갈색지방세포화 시켰을 때 더 많은 술핀산 Prx3가 관찰되었고, 이것이 백색지방세포의 갈색화를 더 잘 일어나게 했다. 이는 Srx 가 없는 마우스 모델에서도 확인되었다. 따라서, Srx 가 없으면 미토콘드리아에 존재하는 H2O2가 더 많이 존재할 것이고, 이 것이 백색지방세포의 갈색지방세포로의 변화를 더 잘 일어나게 한다는 것을 밝혀내었다.