Protective mechanism of daumone in aged mice liver

Abstract

Aging is defined as any change in an organism over time. The aged population is increasing markedly worldwide, accompanied by a concomitant increase in age-related diseases. The liver is one of the most susceptible organs to aging, and it has been well established that hepatic mass and blood flow are reduced while lipid accumulation is increased during aging. Moreover, the number of stellate cells increases; these store fat and produce the extracellular matrix, thickened sinusoidal endothelial cells, and oxidative stress. Chronic inflammation has been proposed as one of the main molecular mechanisms of aging and age-related diseases, whereas calorie restriction extends the mammalian lifespan and has anti-aging effect through anti-inflammation. As calorie restriction is considered an effective anti-aging therapy, it is necessary to develop advanced calorie restriction mimetics. Daumone, a pheromone secreted by Caenorhabditis elegans (C. elegans), forces C. elegans to enter the dauer stage when C. elegans faced with starvation, inadequate temperature, or overcrowding. Since C. elegans live longer during the dauer stage under energy deprivation, it was hypothesized that daumone may extend the mammalian lifespan via mimicking calorie restriction. Pharmacokinetic study showed that bioavailability of daumone in rat was 45%, suggesting the plausibility to be developed as an orally active compound. Daumone dissolved in drinking water was administered orally (2 mg/kg/day) for 5 months to 24-month-old male C57BL/6j mice. Age-matched controls and 9-week-old young control mice received an equivalent volume of drinking water. Daumone reduced the hazard ratio of death by 48% in mice. Up-regulated plasma triglyceride, insulin, and lipid peroxides in old mice were significantly reduced by daumone administration. Increased hepatic hypertrophy, hepatic senescence-associated β-galactosidase activity, hepatic fibrosis, hepatic lipid accumulation, insulin resistance, inflammation, and oxidative stress in old mouse were all significantly attenuated by daumone. To gain a mechanistic insight, nuclear factor-κB (NF-κB), a major transcription factor of proinflammatory cytokines, and SIRT1 linked to calorie restriction-related longevity were examined. Phosphorylation of inhibitor of NF-κBα (IκBα) was increased in old mouse livers and in tumor necrosis factor-α (TNF-α)-induced HepG2 cells, a human hepatoma cell line. Up-regulated IκBα phosphorylation was reduced by daumone. Hepatic SIRT1 protein level and activity (determined by p53 deacetylation) were decreased in old mice, which were effectively reversed by daumone. Docking study suggested binding of daumone with SIRT1. Daumone effectively reduced TNF-α-induced intracellular adhesion molecule-1 (ICAM-1) mRNA expression but did not affect TNF-α-induced ICAM-1 expression under SIRT1 knockout system using siRNA. In summary, daumone extends the lifespan of mice and has an anti-aging effect on the aged liver through modulating chronic inflammation. The detailed mechanism of daumone’s anti-inflammatory effect may allow for effective interventions targeting chronic inflammation, aging, and age-related diseases.;노화는 신체적 정신적 변화가 축적되는 것을 일컫는다. 고령인구는 전세계적으로 급격히 증가하고 있고, 이에 따라 노화 관련 질병도 증가하고 있다. 간은 노화에 민감한 장기 중 하나로서, 노화가 진행되면 간 크기와 혈류량이 감소하고 간에 지방이 축적된다. 또한, 간 stellate 세포 수가 증가하며, 지방을 축적하고, 세포외 기질축적을 증가시키며, sinusoidal endothelial 세포를 두껍게 하고, 산화성 스트레스를 유도한다. 만성염증은 노화와 노화관련 질병을 유발하는 주된 기전의 하나로 제시되고 있으며, 포유류의 수명연장과 항노화 효과에 있어서 가장 뚜렷한 효과가 있음이 보고된 ‘식이제한’ 역시 염증반응 억제를 통해 이루어 진다고 보고되었다. 예쁜꼬마선충은 적정 온도가 아닐 때, 먹이가 충분하지 않을 때 또는 주변에 다른 개체가 많을 때에 다우어 페로몬을 분비하여 다우어 단계에 들어감으로써 적절치 못한 외부 환경에 대응한다. 다우어 단계에 들어가면 예쁜꼬마선충의 수명이 연장 되므로, 다우어 페로몬이 수명연장 물질이라 생각되고 많은 연구가 이루어지고 있다. 전합성된 다우어 페로몬인 다우몬으로 본 실험을 진행하였고, 다우몬이 포유류의 수명연장과 노화에 미치는 영향과 그 기전을 연구하고자 하였다. 식수에 녹인 다우몬 2 mg/kg를 24개월령 생쥐(늙은 생쥐)에 매일 경구 투여하였고, 연령 대조군과 9주령인 어린 대조군(어린 생쥐)에는 동일 용량의 식수를 경구 투여하였다. 다우몬의 약동학 연구결과 생물학적가용능이 45%로써 경구투여제제로의 발전 가능성을 시사하였다. 다우몬 투여 5개월 후 수명연장을 관찰하였고, 생존한 생쥐를 희생하여 혈액과 간을 분석하였다. 어린 생쥐에 비해 늙은 생쥐에서 증가하였던 혈중 중성지방, 인슐린, 지질과산화는 다우몬 투여로 유의하게 감소하였다. 늙은 생쥐에서 유도된 간의 비대, 노화 연관 베타 갈락토시데이즈 활성, 섬유화, 인슐린 저항성, 염증, 그리고 산화성 스트레스가 다우몬 투여에 의해 의미 있게 개선되었다. 늙은 생쥐 간에서 증가된 IκB 인산화는 다우몬 투여로 감소하였고, 인간간암세포주인 HepG2 세포에서 tumor necrosis factor-α (TNF-α)로 유도된 NF-κB와 IκB 인산화는 다우몬 처리군에서 감소하였다. NF-κB 활성화와 연관성이 있는 SIRT1 단백의 활성 뿐 아니라 발현이 늙은 생쥐 간에서 감소하였고, 다우몬 투여 시 회복하였다. HepG2 세포에서 TNF-α로 인해 유도된 염증성 사이토카인인 intercellular adhesion molecule-1 (ICAM-1) mRNA의 상향조절은 다우몬 처리 시 감소하였다. 도킹연구에서 다우몬과 SIRT1의 결합친화력이 SIRT1의 활성물질로 알려져 있는 resveratrol보다 큰 것을 확인하고, siRNA 도입으로 SIRT1을 knockdown 시켰을 때, 다우몬 처리에 의한 ICAM-1의 감소가 일어나지 않음을 확인하였다. 정리하면, 다우몬은 생쥐의 수명을 연장하고 다우몬에 의한 항노화 효과는 항염증 작용을 통해 이루어진다고 생각된다. 자세한 다우몬의 항염증 기전은 추가적인 실험이 필요하겠지만, 본 연구는 다우몬이 만성염증, 노화, 노화 관련질병의 타겟이 될 수 있음을 제시하였다.