Fluid shear stress regulates the expression of Lectin-like oxidized low density lipoprotein receptor-1 via KLF2-AP-1 pathway depending on its intensity and pattern in endothelial cells

Abstract

Vascular endothelial cells (ECs) are exposed to fluid shear stress, which modulates vascular pathophysiology. Lectin-like oxidized low-density lipoprotein receptor-1 (LOX-1) is crucial in endothelial dysfunction and atherosclerosis. This study elucidated the mechanism regulating LOX-1 expression in ECs by FSS. Human umbilical vein endothelial cells were exposed to laminar shear stress (LSS) of indicated intensities using a unidirectional steady flow, or to oscillatory shear stress (OSS) using a bidirectional disturbed flow. In vivo studies were performed in a mouse model of partial carotid ligation and human pulmonary artery sections. Within ECs, OSS upregulated LOX-1 expression, while LSS (20 dyne/cm2) downregulated it. It was confirmed that OSS-induced LOX-1 expression was suppressed when the mechanotransduction was inhibited by knockdown of mechanosensory complex. In addition, it was demonstrated that Kruppel-like factor 2 (KLF2) has an inhibitory role on OSS-induced LOX-1 expression. Next, activator protein-1 (AP-1) was determined as the key transcription factor inducing LOX-1 expression by OSS, which was inhibited by KLF2 overexpression. To explore whether the intensity of LSS affects LOX-1 expression, three different intensities (20, 60, and 120 dyne/cm2) of LSS were tested. Higher LOX-1 expression was observed in high shear stresses of 120 dyne/cm2 compared to 20 and 60 dyne/cm2, with OSS-like KLF2-AP-1 signaling patterns. Furthermore, ECs within disturbed flow regions showed upregulated LOX-1 expression in in vivo. In conclusion, LOX-1 expression on ECs is regulated via fluid shear stress depending on its intensity as well as pattern. Furthermore, this is mediated through the KLF2-AP1 pathway of mechanotransduction.;혈관내피세포 (ECs)는 혈관의 병태생리를 조절하는 혈류전단응력 (FSS)에 노출되어있다. 렉틴-유사 산화 저밀도 지질단백질 수용체-1 (LOX-1)은 혈관 내피세포의 기능장애와 동맥경화에서 중요한 역할을 한다고 알려져 있다. 본 연구에서는 혈관내피세포에서 FSS가 LOX-1의 발현을 조절하는 기전을 밝히고자 하였다. 세포 수준의 연구를 수행하기 위하여 인간탯줄정맥내피세포 (HUVECs)에 한 방향의 일정한 흐름을 갖는 층류 전단응력 (LSS) 또는 양방향으로 산란된 흐름을 갖는 진동 전단응력 (OSS)을 가하였다. 생체 내 연구는 부분목동맥결찰술을 이용한 마우스 모델과 사람 폐동맥 조직을 대상으로 수행하였다. 혈관내피세포 내에서, OSS는 LOX-1의 발현을 증가시킨 반면, LSS (20 dyne/cm2)는 LOX-1의 발현을 감소시켰다. 기계수용 복합체 유전자를 비활성화시켜 그 기능을 억제하였을 때에는, OSS에 의해 유도된 LOX-1의 발현이 감소함을 확인하였다. 또한, Krüppel-like factor 2 (KLF2)가 OSS에 의한 LOX-1 발현을 억제하는 역할을 하였다. 다음으로, activator protein-1 (AP-1)이 OSS에 의한 LOX-1 발현 유도에 중요한 전사인자로 작용하는데, 이 과정은 KLF2 과발현에 의해 억제되었다. LSS의 세기가 LOX-1 발현에 영향을 미치는지 확인하기 위해, HUVECs에 세 가지 다른 세기의 LSS (20, 60, 120 dyne/cm2)를 가하였다. 그 결과, 20, 60 dyne/cm2에 LSS에 비해 120 dyne/cm2에 해당하는 높은 세기의 LSS에서 LOX-1의 발현이 높게 나타났으며, 이 때에는 OSS와 같은 KLF2-AP-1 신호전달 양상이 동반되었다. 더 나아가 생체 내 연구를 통해 산란된 흐름이 있는 부위의 혈관내피세포에서 LOX-1의 발현이 증가되어있음을 확인하였다. 결론적으로, 혈관내피세포의 LOX-1 발현은 FSS의 패턴 뿐만 아니라 세기에 의해 조절된다. 그리고 이는 기계적 자극변환을 거쳐 KLF2-AP-1 경로를 통해 매개된다.