Bitter taste receptors exert anti-aging effect by inhibiting cellular senescence and enhancing wound healing in skin

Abstract

Taste receptors are G-protein-coupled receptor, which are generally known to mediate taste sensation in tongue. Among the 5 basic tastes, bitter taste is mediated by the bitter taste receptors, and this recognition protects the host from swallowing the bitter-tasting poisonous substances. Several studies reported that bitter taste receptors are located and function in extra-gustatory organs, including skin. Skin acts as a first line defense against infection, and skin aging directly affects the quality of life. Despite the fact that extra-gustatory roles of bitter taste receptors are gaining attention these days, the actual function of these receptors on skin aging are insufficiently understood. The purpose of the present study is to demonstrate the biological role of bitter taste receptors on skin aging. Human bitter taste receptors TAS2R16 and TAS2R10 were identified in human keratinocyte HaCaT cells, and their expression was upregulated by D-galactose (D-gal) treatment. Additionally, mouse bitter taste receptors were expressed in mouse skin tissues, which expression was also upregulated by D-galactose administration. D-gal also upregulated protein levels of taste signaling molecules, transient receptor potential channel M5 (TRPM5) and phospholipase Cβ2 (PLCβ2) in HaCaT cells. Moreover, Bitter taste receptors showed functional activation in HaCaT cells. To demonstrate the biological roles of bitter taste receptors on skin aging, human bitter taste receptor TAS2R16 was transiently over-expressed in HaCaT cells with D-gal treatment. TAS2R16 overexpression significantly inhibited cellular senescence. Over-expressed TAS2R16 downregulated the expression of aging markers, p53 and p21, and upregulated the expression of antioxidant enzymes superoxide dismutase 1 (SOD1), glutathione peroxidase 1 (GPX1) and catalase. Moreover, sirtuin 1 (SIRT1) was upregulated and mammalian target of rapamycin (mTOR) phosphorylation was downregulated by TAS2R16 overexpression. Damaged wound healing is a representative hallmark of aged skin, and over-expressed TAS2R16 recovered wound healing ability in D-gal-induced aged HaCaT cells. Over-expressed TAS2R16 recovered the wound healing ability by regulating the epithelial-mesenchymal transition (EMT) markers involving matrix metalloproteinase-2 (MMP)-2, MMP-9, vimentin, E-cadherin, N-cadherin, tissue inhibitor of metalloproteinase-1 (TIMP)-1 and TIMP-2. To confirm the skin anti-aging effect of bitter taste receptors, another bitter taste receptor TAS2R10 was chosen for further investigation. TAS2R10 overexpression inhibited cellular senescence and enhanced wound healing in HaCaT cells, as well as TAS2R16. Taken together, our results demonstrate that bitter taste receptors TAS2R16 and TAS2R10 exert protective role against D-gal-induced skin aging by suppressing cellular senescence and improving wound healing ability, suggesting the novel skin anti-aging role of these bitter taste receptors.;미각 수용체는 G 단백질 결합 수용체로 주로 혀의 미각세포에서 미각을 매개하는 것으로 알려져 있다. 5 가지 기본 미각들 중 쓴맛은 쓴맛 수용체에 의해 인지되며, 이는 독성을 지닌 물질이 체내로 진입 하지 못하도록 방어하는 역할을 한다. 최근 피부를 포함한 구강 이외의 조직들에서 쓴맛 수용체들의 발현이 확인되었고, 해당 수용체들이 미각 인지 이외의 기능을 보유할 가능성이 여러 연구들에서 제시되었다. 피부는 외부에서 침입하는 감염원에 대응하는 1차 방어막의 기능을 수행하며, 피부의 노화는 개인의 삶의 질을 저하시키게 된다. 최근 구강 이외의 조직에서 발현하는 쓴맛 수용체들의 역할에 대한 관심이 높아지고 있지만, 피부 노화 과정에서 쓴맛 수용체가 어떠한 실질적인 기능을 수행하는지에 대해서는 연구가 부족한 실정이다. 본 연구에서는 쓴맛 수용체가 피부 노화 과정에서 어떠한 역할을 수행하는지를 규명 하고자 하였다. 인간 쓴맛 수용체인 TAS2R16 과 TAS2R10 은 인간 피부 상피세포인 HaCaT 세포에서 발현함이 확인되었고, D-갈락토스를 처리하였을 때 그 발현이 증가하였다. 마우스 쓴맛 수용체 또한 마우스 피부 세포에서 발현하였으며, D-갈락토스 그룹에서 쓴맛 수용체의 발현이 더 높은 것을 확인할 수 있었다. 더불어, HaCaT 세포에 D-갈락토스를 처리하였을 때 미각 신호 전달 물질인 TRPM5 와 PLCβ2 의 발현이 증가하였다. TAS2R16 과 TAS2R10 은 HaCaT 세포에서 발현할 뿐만 아니라 활성을 가지는 것이 확인되었으나, D-갈락토스를 처리하였을 때는 그 활성이 감소하였다. 더 나아가 피부 노화 과정 에서의 쓴맛 수용체의 역할을 확인하기 위해 인간 쓴맛 수용체인 TAS2R16 이 과발현된 HaCaT 세포에 D-갈락토스를 처리하여 노화를 유도한 세포 모델로 실험을 진행하였다. HaCaT 세포에서 TAS2R16 과발현은 D-갈락토스로 유도된 세포 노화를 유의적으로 감소시켰다. 더불어, 노화 마커인 p53 과 p21 의 발현이 감소하였고, 항산화 효소인 SOD1, GPX1과 catalase 의 발현이 증가하였다. TAS2R16 과발현은 SIRT1의 발현을 증가시키고 mTOR 의 인산화 정도 또한 감소시켰다. 손상된 상처 치유 능력은 노화된 피부의 대표적인 특징으로 여겨진다. 과발현된 TAS2R16 은 D-갈락토스로 노화가 유도된 HaCaT 세포에서 상처 치유 능력을 회복시켰으며, 피부 상처 치유 과정에 관여 하는 여러 EMT 마커들도 TAS2R16 과발현에 의해 회복된 경향을 보였다. 쓴맛 수용체의 피부 항노화 효능을 추가로 검증하기 위해 또다른 쓴맛 수용체인 TAS2R10 이 선택되었고, TAS2R10 의 과발현 또한 D-갈락토스로 노화가 유도된 HaCaT 세포에서 세포 노화를 억제하고 상처 치유 능력을 향상시킴이 확인되었다. 결론적으로, 본 연구는 HaCaT 세포에서 발현하는 인간 쓴맛 수용체 TAS2R16과 TAS2R10이 세포 노화를 억제하고 상처 치유 능력을 향상시킴에 따라 피부를 노화로부터 보호한다는 것을 규명함으로써, 향후 피부 노화의 예방과 치료에 기여할 수 있다는 데에 의의를 가진다.