Site-specific regulation of matrix metalloproteinase-7 function in the colonic epithelium

Abstract

Although there are many implications of the location dependency of the colon epithelium, no great efforts have been made into the detail mechanism. It was, therefore, investigated whether there were differences in the regulatory functions depending on the location of the colon. RNAseq analysis revealed that different parts of colon (e. g. proximal, transverse and distal colons) expressed the site-specific genes. Among those genes in normal colon, extracellular matrix (ECM)-related genes are mainly in the proximal colon, inflammatory genes in the transverse and structural genes in the distal colon. Interestingly, inflammation induced the most dramatic changes in gene expression in the distal colon, with increased expression of inflammatory and ECM-related genes, but decreased expression of structural genes, which might be associated with colitis in the distal colon. Besides, secreted proteins differed from the colon site. The protein p27 was mainly secreted in the proximal colon, p41 and p66 in the transverse colon, and p18 in the distal colon. On the other hand, the protein p46 and p26 were mainly secreted in the transverse, and p105 and p29 in the distal of inflamed colon induced 3% dextran sodium sulfate (DSS). This site-specific expression and secretion were evident with matrix metalloproteinase-7, MMP-7. Inflammation induced MMP-7 expression specifically in transverse colon, but MMP-7 secretion mainly in the distal colon. Interestingly, among proinflammatory cytokines, IL-1β treatment selectively increased the expression of MMP-7 in the proximal and IL-6 in the transverse-distal colon tissue cultured ex vivo. Consistently, IL-1β increased MMP-7 expression in the ascending colon cancer cell lines HCT116 and IL-6 increased MMP-7 vi expression in the descending colon cancer cell lines, DLD-1 via STAT3 activation, suggesting different response of MMP-7 expression depending on the location of colon epithelium. Similarly, both protein and mRNA level of MMP-7 were elevated in proximal colon in the CLP (Cecal ligation and puncture) surgery-induced sepsis model. Furthermore, MMP-7 treatment in colonic epithelium produced substrates of p66, p55, p27, p26, and p18 in proximal and p29 in all parts of normal colon. However, during acute inflammation, substrate of p41 was shown in proximal, p45, p18 in proximal-transverse, and p29 and p26 in transverse-distal specifically, suggesting unique regulatory function of MMP-7 in the colon epithelium. Together all these data suggest that the structure and function of colon epithelium vary from location to location and this might be related with the site-specific regulation of colon epithelium.;대장 상피의 위치에 따라 구조적, 기능적 차이가 있다는 것은 알려져 있지만, 세부 메커니즘에 대한 연구는 현재까지 잘 이루어지지 않았다. 그러므로 본 논문에서는 대장 상피의 위치 특이적인 조절과 그 기전에 대하여 밝히고자 하였다. RNA 염기서열분석을 통하여 대장의 세 부분, 상행결장, 횡행결장, 하행결장에서 각각 다른 유전자가 발현됨을 확인하였다. 정상 마우스의 대장에서 상행결장에는 세포외기질 관련유전자, 횡행결장에는 염증 관련유전자, 하행결장에는 구조 관련유전자가 주로 분포하였다. 흥미롭게도 염증반응은 하행결장에서 더 극적인 유전자발현의 변화를 유도하였고, 세포외기질 관련유전자와 염증 관련유전자의 발현은 증가, 구조 관련유전자의 발현은 감소시켰다. 게다가 대장의 각 위치로부터 분비되는 단백질이 다르다는 것을 확인할 수 있었다. 정상마우스 상행결장의 p27 단백질, 횡행결장의 p41, p66 단백질, 하행결장의 p18 단백질이 주로 분비되었고, 3% DSS (dextran sodium sulfate)로 급성염증이 유도되었을 때는 횡행결장의 p46, p26 단백질, 하행결장의 p105, p29 단백질의 분비가 주로 확인되었다. 따라서 마우스 대장상피의 위치에 따라 유전자발현, 유전자의 구성 그리고 분비되는 단백질이 각각 다르다는 것을 확인하였다. 이러한 대장 상피의 위치별 차이는 단백질분해효소인 matrix metalloproteinase-7 (MMP-7)의 발현과 분비에서 뚜렷하게 관찰되었다. 염증반응은 횡행결장에서 특이적으로 MMP-7의 발현을 유도하 지만 이것의 분비는 주로 하행결장에서 관찰되었다. 흥미롭게도, 전염증성 사이토카인 중 IL-1β 의 처리가 조직배양시 상행결장에서 MMP-7의 발현을 증가시키 고, IL-6가 횡행-하행결장에서 MMP-7 발현을 선택적으로 증가시켰다. 또한, IL-1β 는 상행결장 유래 대장암 세포주인 HCT116에서 MMP-7의 발현을 유도하였고, IL-6는 하행결장 유래 대장암 세포주인 DLD-1에서 STAT3 활성을 통하여 MMP-7 발현을 유도하였다. 이는 대장상피의 위치에 따라 MMP-7의 발현에 대한 반응성이 다르다는 것을 시사한다. 유사하게 CLP 유도 패혈증 마우스 모델에서도 대장위치에 따른 차이를 확인할 수 있었다. 상행결장에서 특이적으로 MMP-7의 mRNA, 단백질 수준 모두 증가하였다. 게다가 대장상피에 MMP-7의 직접적인 처리는 정상마우스의 상행결장에서 p66, p55, p27, p18 크기의 기질, 대장의 모든 부위에서 p29의 기질을 만들어냈으며, 급성염증이 유도된 마우스의 대장 상피에서는 상행결장의 p41, 상행-횡행결장의 p45, p18 그리고 횡행-하행결장에서는 p29, p26의 기질을 방출시킴으로써 대장상피의 독특한 MMP-7 조절 기능을 확인하였다. 따라서 본 논문에서는 대장 상피의 구조와 기능이 위치에 따라 다르며, 이는 대장의 위치 특이적인 조절과 관련이 있음을 시사한다.