Verification of the role of vimentin intermediate filament in the development of atherosclerosis and obesity

Abstract

동맥경화증과 비만에 의해 유도된 제2형 당뇨병은 공통적으로 대식세포에 의한 만성적인 염증반응에 의해서 촉발된다. 비멘틴 (Vimentin)은 중간세사 (type 3 intermediate filament)로 세포의 구조적 지지, 세포소기관의 분포를 조정하는 기능이 주로 연구되어왔다. 최근에는 비멘틴의 다양한 세포 내 신호전달 기능이 밝혀지고 있다. 본 연구에서는 동맥경화증과 비만, 제2형 당뇨병에서 대식세포 및 지방세포 내 비멘틴 섬유의 역할을 밝히고자 하였다. 첫 번째로 대식세포 내에 존재하는 비멘틴의 기능을 밝히기 위해서 비멘틴 유전자결핍 쥐를 이용하여 동맥경화증의 시작단계인 대식세포의 산화저밀도지단백 (OxLDL)의 섭식작용을 분석하였다. 우리는 비멘틴의 결핍에 의해서 oxLDL 섭식 능력이 제한됨을 알게 되었고 그 기전은 OxLDL의 수용체인 분화 클러스터 36 (CD36)의 막으로의 이동이 제한되기 때문임을 확인하였다. 또한 섭식 과정에서 비멘틴과 CD36간의 결합이 증가함을 최초로 발견하였다. 우리는 oxLDL이 활성화시킨 단백질 인산화효소 A (PKA)에 의해서 비멘틴의 72번째 세린 인산화가 특이적으로 일어나며 이로 인해 비멘틴 섬유의 해리가 일어나는 것을 발견하였다. 특정 부위 돌연변이유발 기법을 이용하여 비멘틴의 72번째 세린 인산화가 CD36의 세포막으로의 이동을 촉진하여 oxLDL의 섭식을 증가시키는 것을 확인하였다. 동맥경화증 쥐 모델에서 비멘틴 결핍 골수를 이식하고 15주간 서양식 식이로 동맥경화증을 유도한 결과 대조군에 비해서 동맥경화증 병변이 유의미하게 감소하는 것을 확인하였다. 이를 통해서 동물에서도 비멘틴의 결핍이 CD36의 막으로의 이동을 저해하여 동맥경화증에 대한 보호작용이 있는 것을 규명하였다. 두번째로 우리는 oxLDL에 의해서 대식세포 밖으로 분비된 비멘틴이 종양괴사인자 알파(TNF-α)와 같은 염증유발성 시토카인의 분비를 촉진하는 것을 발견하였다. 세포 외 비멘틴에 의한 염증반응은 nuclear factor kappa B (NF-κB) 신호전달체계를 활성화시키지만 기존의 비멘틴의 수용체로 알려져 있던 dectin-1에 의존하지 않고 CD36에 의존적이다. 비멘틴은 자체적으로도 염증 유발성 물질로 작용하지만 oxLDL과 비멘틴이 함께 있을 때 더 많은 양의 TNF-α를 분비하고 NF-κB 의 활성을 증가시켜 보다 증폭된 결과를 유도하였다. 관상동맥질환 환자군의 혈청 비멘틴의 농도가 정상인에 비해 유의미하게 증가되었으며 혈청 내 oxLDL의 농도와도 양의 상관관계가 있음을 규명하였다. 이를 통하여 혈청 내 비멘틴을 동맥경화증의 진단적 표지자로 제안하였다. 세 번째는 비멘틴유전자 결핍 쥐에서 고지방식이유도 비만을 유도하여 비멘틴의 역할을 규명하였다. 비멘틴유전자 결핍 쥐에서 유의미하게 내장지방조직과 몸무게가 감소하고 혈중 비에스테르화지방산 (NEFA), 혈중 중성지방의 농도는 대조군에 비해 증가하였다. 또한 비멘틴유전자 결핍 쥐에서 포도당저항성이 향상되었음을 확인하였고 인슐린 농도 역시 감소한 것을 발견하여 비멘틴이 제 2형 당뇨병의 발생에도 역할을 하고 있음을 밝혔다. 비멘틴유전자 결핍 쥐의 일차지방세포에서 막의 수용체 양을 분석한 결과 CD36과 포도당 수용체 4(GLUT4)의 세포막으로의 이동이 감소되어 있는 것을 발견하여 비멘틴이 지방세포에서도 수용체의 막으로의 이동을 조절에 관여하는 것을 규명하였다. 이 연구를 통하여 우리는 대식세포 내 비멘틴이 oxLDL에 의해 인산화 되며 CD36의 세포막으로의 이동을 촉진하여 동맥경화증을 촉진한다는 것과 동시에 세포 밖으로 분비되어 일종의 염증성 시토카인으로 작용한다는 것을 발견하였다. 동맥경화증 환자의 혈청에서 비멘틴 농도가 유의미하게 증가하여 있는 것을 확인하였기에 비멘틴이 동맥경화증의 진단적 표지자로서 사용될 수 있는 가능성을 제안하였고 동시에 CD36에 의한 산화지질의 섭식 과정의 새로운 조절 기전으로서 비멘틴의 인산화가 표적이 될 수 있음을 제안하였다. 또한 최초로 비멘틴의 결핍이 동맥경화증 외에 섭식유도비만, 제 2형 당뇨의 발생을 억제한다는 동물실험결과를 통해서 대사증후군의 병리적 기전에서 비멘틴의 역할의 중요성을 밝히고 이를 치료에 있어 표적 물질로 제시하였다. ;Atherosclerosis and high-fat diet induced obesity are different diseases, but these diseases share common pathophysiology characterized by chronic inflammatory reactions in which macrophages play an important role. Vimentin is a type 3 intermediate filament that has traditionally been studied only for its function in the structural support of cells and in the distribution of organelles. Recently, several other functions of vimentin as a signaling molecule have been revealed. The aim of this study is to investigate the role of vimentin filament in atherosclerosis and high-fat diet induced obesity First, in order to elucidate the function of vimentin in macrophages, we analyzed the uptake of oxidized low density lipoprotein (OxLDL), which is the critical step of atherosclerosis, using vimentin null macrophages. We found that vimentin deficiency limited oxLDL uptake ability via defective trafficking of cluster of differentiation 36 (CD36), the major scavenger receptor for oxLDL, into plasma membrane. We also firstly found that interaction between vimentin and CD36 was increased by oxLDL treatment. We revealed that phosphorylation of vimentin at serine 72 was induced by protein kinase A (PKA) activated by oxLDL and this resulted in disassembly of vimentin filament. Using site-directed mutagenesis, we found that the phosphorylation of the vimentin at serine 72 promoted translocation of CD36 to the plasma membrane and increased oxLDL uptake. In our atherosclerotic mouse model, LDLr null mice were transplanted with vimentin-null bone marrow and atherosclerosis was induced by western diet for 15 weeks. This study confirmed that the deficiency of macrophage vimentin prevents atherosclerosis. Second, we found that vimentin secreted from macrophages by oxLDL promotes the release of proinflammatory cytokines such as tumor necrosis factor alpha (TNF-α). Extracellular vimentin activated nuclear factor kappa B (NF-κB) signaling in macrophages, however, vimentin-induced NF-κB activation and consequent cytokine secretion did not depend on dectin-1, a known receptor for vimentin. Vimentin acted as an inflammatory substance on its own, but when vimentin was combined with oxLDL, macrophages secreted a greater amount of TNF-α through amplified NF-κB activity. Serum vimentin concentration was significantly higher in patients with coronary artery disease compared with normal subjects. Serum vimentin concentration was positively correlated with serum oxLDL concentration. Thus, we suggest serum vimentin as a new diagnostic marker for atherosclerosis Third, we investigated the role of vimentin in high-fat diet induced obesity in vimentin null mice. Our experiment showed that vimentin null mice fed a high-fat diet had significantly less adipose tissue and less body weight than wild type mice. Serum triglyceride and non-esterified fatty acid (NEFA) levels were higher in vimentin null mice compared to the control mice. Glucose tolerance was improved in vimentin null mice, and plasma insulin concentrations were lower in vimentin null mice, suggesting that vimentin play a role in the development of type 2 diabetes. Measurements of membrane receptors in primary adipocytes from wild type and vimentin null mice revealed that CD36 and glucose receptor 4 (GLUT4) localized in plasma membrane were less in vimentin null adipocytes. This suggests vimentin regulates the transport of CD36 and GLUT4 to membranes in adipocytes In summary, we identified that vimentin in macrophages is phosphorylated by oxLDL/CD36 interaction and promotes atherosclerosis via promoting the trafficking of CD36 to the plasma membrane. Interaction between CD36 and oxLDL simultaneously induces secretion of vimentin out of cells and the signals provoked by extracellular vimentin augments inflammatory cytokine production in macrophages. We suggest serum vimentin as a diagnostic marker for atherosclerosis. We firstly revealed that vimentin deficiency prevents obesity and type 2 diabetes in addition to atherosclerosis, and suggests the importance of the role of vimentin in the central pathology of metabolic syndrome.