The Roles of Peroxiredoxin-1 in Ischemic Stroke

Abstract

Rationale: Ischemic stroke is the leading cause of immortal disability and death worldwide. For treatment in the acute phase, it is necessary to control excessive reactive oxygen species (ROS) damage during ischemia/reperfusion (I/R). Microglia are well known to be closely associated with excessive ROS response in the early stage of I/R. However, the precise roles of microglia associated with mitigating ROS damage, and molecular markers of heterogenetic microglia in the I/R damaged brain has not been clarified. Objective: To elucidate the existence and role of stroke-associated microglia (SAM) in the I/R injured brain. Methods and Results: Single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) was used to assess transcriptional changes of microglia and immune cells in the contralateral (CL) and ipsilateral (IL) hemispheres after transient middle cerebral artery occlusion (tMCAO) surgery to mimic ischemic stroke. We classified a unique type of microglia with enhanced antioxidant function and markers similar to those of disease-associated microglia (DAM), designated them as SAM. The representative antioxidant enzyme, Peroxiredoxin-1 (Prdx1), was predominantly expressed in SAM and mediated ROS defense genes, including Txn1, Srx1, Mt1, and Mt2. In the Prdx1-/- I/R damaged brain, we observed significantly increased infarction, as assessed by TTC staining, and FACS analysis detected severe microglial cell death. Importantly, scRNA transcriptomics data showed that the SAM population was specifically decreased in Prdx1-/- mice, and that these mice exhibited decreased ROS damage resistance. Inflammatory responses which were detected by ELISA and qPCR, were also increased in Prdx1-/- IL hemispheres. Finally, Prdx1- dependent antioxidative SAM were found to be essential for increasing the transcription levels of stroke-protective molecules, such as osteopontin and ferritin. Conclusions: A novel microglia type (SAM) is specifically activated in response to stroke I/R injury, and that Prdx1 expression is required for the activation and enhanced antioxidant function of SAM.;뇌졸중은 뇌혈관질환이라고 표시되기도 하며, 뇌에 혈액을 공급하는 혈관이 막히거나 터짐으로 인해 그 혈관을 통과 하는 혈류를 통해 에너지를 공급받던 뇌세포가 손상을 받아 뇌의 손상이 일어나 이로서 발생하는 편측마비, 언어장애 및 의식장애들의 신경학적 증상을 동반하는 질병으로 알려져 있다. 전 세계적으로 사망률 3위를 차지하고 있으며, 영구적인 신체장애로 이어지는 질병이기에 치료법과 예방에 대한 관심이 높아지고 있다. 뇌혈류의 차단으로 인해 뇌세포 활동에 필요한 에너지가 부족해지며 뇌 세포막의 탈분극이 일어나게 되고 이는 독상을 가진 활성산소를 생산하게 되고 이는 다양한 세포를 손상시키게 된다. 이로 인해 뇌세포의 대량 괴사가 일어나게 된다. 퍼록시레독신-1은 활성산소를 제거할 수 있는 항산화 효소로 알려져 있고, 다양한 질병에서 염증반응, 혈관 재형성 및 산화스트레스 조절을 할 수 있다고 보고 되어있다. 하지만 최근 연구에 따르면 세포가 손상되어 나오게 된 퍼록신레독신-1 의 경우에는 세포사멸과 면역반응을 증가시킨다는 연구결과도 알려진 바 있다. 이렇듯 다양한 역할을 할 수 있는 퍼록시레독신-1의 뇌졸중에 대한 역할규명은 아직까지 많이 밝혀지지 않았다. 특히, 특정 뇌세포인 소교세포에서의 퍼록시레독신-1의 작용에 대해서는 많이 알려진 바가 없었다. 본 연구에서는 1) 퍼록시레독신-1 의존 소교세포인 stroke-associated microglia (SAM)을 단일세포 RNA 시퀀싱을 통해 밝혀냈다. 2)또한 이 SAM의 경우 항산화 활성 단백질을 유도하는 Prdx1, Txn1, Srx1, Mt2 를 많이 발현하는 것을 확인할 수 있었고 특히 강하게 발현하는 퍼록시레독신-1 유전자를 연구하기위해 3) 퍼록시레독신-1 유전자 적중 마우스를 사용하여 뇌졸중 마우스 모델에서의 뇌조직 손상이 심해지고 면역반응이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 4) 특히 퍼록시레독신-1 의존 소교세포가 뇌조직 보호 유전자를 강하게 발현하는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 새로운 소교세포 하위집합의 새로운 발견을 통해 본 연구는 다양한 조직 특이적 세포들의 이질성을 사용한 세포 특이적 뇌졸중 치료에 대한 가능성을 제시하고 있다.