Introduction
치주질환과 심혈관계 질환은 서구화된 사회에서 높은 빈도로 유발하 는 질병들로서 나이, 흡연, 당뇨와 같은 다양한 위험인자들에 의해 영향 을 받는 만성 염증 질환이다[1]. 최근에는 치주질환이 심혈관계 질환의 위험도를 높이며 상관관계를 보인다는 다양한 역학 연구들이 보고되고 있다[2]. 심혈관계 질환에 있어 치주질환이 위험인자로서 작용할 수 있 다는 분자적 기전이 두 가지로 설명되고 있는데, 치주질환 원인균이 혈 관벽으로 침투하면서 나타나는 직접적인 영향과 치주질환 세균에 의해 증가한 염증성 매개 물질들의 혈류 분비를 통한 간접적인 영향이 제시 되고 있다[3].
대표적인 그람음성세균 치주질환 원인균인 Porphyromonas gingivalis는 당뇨병, 조산, 죽상경화증과 같은 여러 가지 전신성 질환의 진 행에 연관이 있는 것으로 알려져 있다[1,4]. P. gingivalis DNA는 사 람의 심혈관계 조직에서 polymerase chain reaction (PCR)법에 의 해 발견되었으며, 살아있는 P. gingivalis의 형태로 fluorescence in situ hybridization, 침윤분석법, 배양법 등에 의해 관찰되고, 사람의 죽상경화판에서도 관찰이 되는 것으로 보고되고 있다[5-7]. 염증반응 은 P. gingivalis뿐만 아니라 pathogen associated molecular patterns (PAMPs)라 알려져 있는 분자들에 의해서도 유발된다. PAMP 는 lipopolysaccharide (LPS), flagellin, fimbrillin, peptidoglycan, gingipain 등을 포함한다[8]. 특히 P. gingivalis LPS는 Escherichia coli LPS와는 다른 독특한 lipid A 구조를 가지는 것으로 알려져 있다 [8].
혈관염증반응은 림프구, 호중구, 단핵구 등 염증성 세포의 혈관내피 세포, 혈관평활근세포로의 부착 및 이동과정을 포함한다[9]. 다양한 염 증자극들에 의해 혈관내피세포와 혈관평활근세포는 세포부착인자, 성 장인자, 시토카인, matrix metalloproteinases (MMPs)들의 발현을 조절하며 죽상경화증과 같은 심혈관계 질환의 진행을 촉진시킨다고 알 려져 있다[10]. 또한 치주질환 원인균들은 백혈구의 침윤능 및 이동능 을 유발시키며, 혈관내피세포에서 염증 매개 물질의 분비를 촉진시킨다 고 한다[11,12]. 본 연구진은 P. gingivalis LPS가 혈관평활근세포의 이동능을 증가시킨다고 보고한 바 있다[13].
본 연구에서는 P. gingivalis LPS가 유도하는 혈관평활근세포의 이동 에 있어 MMP-9의 역할과 그 기전을 조사하였다. P. gingivalis LPS는 signal transducer and activator of transcription 3 (STAT3) 전사인 자를 통해 혈관평활근세포에서 MMP-9의 발현을 증가시키며 이것이 혈관평활근세포의 이동촉진을 매개하고 있음을 증명하였다.
Materials and Methods
1. 실험재료
P. gingivalis LPS와 AG490은 각각 InvivoGen (San Diego, CA, USA)과 Calbiochem (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA)에서 구 입하여 사용하였다. Anti-MMP-2와 anti-MMP-9는 Abcam (Cambridge, UK)에서 구매하였고, phospho-Janus kinase 2 (JAK2), JAK2, phospho-STAT3, STAT3 항체는 Cell Signaling Technology (Danvers, MA, USA) 제품을 사용하였다. Anti-β-Actin 항체 와 Anti-α-Tubulin 항체는 Bioworld Technology (St. Louis Park, MN, USA)와 BioGenex (Fremont, CA, USA)에서 구입하여 사용하 였다.
2. 혈관평활근세포배양
BDIX rat의 대동맥에서 분리한 혈관평활근세포 A7r5 cell은 ATCC (CRL-1444; Manassas, VA, USA)에서 구입하였으며, 5% CO2가 공급되는 37°C 세포 배양기에서 배양하여 실험에 사용하였다. 세포는 10% FBS (GibcoBRL, Gaithersburg, MD, USA)와 1% penicillinstreptomycin (GibcoBRL), 5 μg/mL Plasmocin (InvivoGen)을 함 유한 성장배지 DMEM (Hyclone, Logan, UT, USA)하에 배양하면서 실험에 사용하였다.
3. RNA 분리와 역전사 중합효소연쇄반응(reverse transcription-polymerase chain reaction, RT-PCR)
혈관평활근세포에서 total RNA를 추출하기 위해 RiboEx reagent kit (GeneAll Biotechnology, Seoul, Korea)를 이용하였다. Reverse transcription kit (Promega, Madison, WI, USA)를 사용 하여 1.5 μg의 RNA로부터 cDNA를 합성하였다. 합성된 cDNA는 β-Actin (sense: 5′-GACTACCTCATGAAGATC-3′, antisense: 5′-GATCCACATCTGCTGGAA-3′), rat MMP-9 (sense: 5′-ACGGCAAGGATGGTCTACTG- 3′, antisense: 5′-CCCTCGAAGATGAATGGAAA- 3′)의 primer를 이용하여 RT-PCR을 시행하였다. 증폭이 끝난 PCR 결과를 2% agarose gel로 전기영동 한 후 ethidium bromide 0.5 μg/mL로 염색하여 digital gel documentation (GDS200D; KBT, Seongnam, Korea)기기로 형광강도를 측정하였다.
4. 실시간 중합효소연쇄반응(real-time quantitative reverse transcription-PCR, real-time qRT-PCR )
Real-time PCR은 power SYBR Green (Applied Biosystems, Foster Ciy, CA, USA) 시약을 이용하여 7500 Real-Time PCR System (Applied Biosystems) 기기를 사용하여 실시하였다. PCR 반응 조건은 95°C에서 10분간 1주기, 변성(denaturation) 반응은 95°C에 서 15초, 결합(annealing) 반응을 60°C에서 60초, 중합(extension) 반응을 72°C에서 7초간 40주기를 반복하여 반응시켰다. 유전자의 발 현량 차이는 delta-delta-ct 방법으로 계산하여 대조 유전자 β-Actin 에 대한 상대적인 값으로 나타내었으며, 각각의 primer는 다음과 같 다. β-Actin (sense: 5′-AGGGAAATCGTGCGTGAC-3′, antisense: 5′-CGCTCATTGCCGATAGTG-3′), rat MMP-2 (sense: 5′-ACCGTCGCCCATCATCAA-3′, antisense: 5′-TTGCACTGCCAACTCTTTGTCT- 3′), rat MMP-9 (sense: 5′-TCGAAGGCGACCTCAAGTG- 3′, antisense: 5′-TTCGGTGTAGCTTT GGATCCA-3′).
5. Western immunoblot analysis
각 군의 혈관평활근세포를 2–3회 차가운 phosphate-buffered saline로 세척한 후 세포용해 용액(RIPA buffer, proteinase inhibitor, 1 mM phenylmethylsulfonyl fluoride, 10 mM NaF 및 10 mM Na3VO4)으로 용해시켰다. 용해시킨 후 세포 용해액을 4°C에서 14,000 rpm으로 10분간 원심 분리하여 상층액을 –20°C에 보관하였 고, 추출된 각 단백질의 양은 BCA (Sigma Aldrich) 정량법으로 측정 하였다. 30 μg의 전체 단백질을 8% SDS-PAGE (sodium dodecyl sulfate–polyacrylamide gel electrophoresis)로 변성 분리하였고, 이를 nitrocellulose membrane (Amersham Pharmacia Biotech, USA) 막에 전이시켰다. 그리고 membrane을 5% skim milk가 함유 된 Tris buffered saline with Tween-20 (TBS-T) 용액으로 상온에 서 1시간 동안 반응시켜 항체의 비특이적인 결합을 blocking한 후, 단 백질의 발현을 측정하기 위해 적절한 1차 항체를 4°C에서 16시간 동 안 반응시켰다. 이어서 TBS-T 용액으로 10분 간격으로 3회 세척한 다 음 horseradish peroxidase가 결합된 이차항체를 실온에서 2시간 반 응시키고, 다시 TBS-T 용액으로 10분 간격으로 3회 세척한 다음 화학 발광제(ECL; Amersham Pharmacia Biotech)를 1분간 반응시킨 후 LAS4000 (GE Healthcare Life Sciences, Uppsala, Sweden) 기기 를 이용하여 단백질 발현을 확인하였다.
6. 혈관평활근세포의 이동성 분석(scratch wound migration assay)
세포이동의 측정은 scratch wound migration법을 사용하였다. 1 × 105 개의 혈관평활근세포를 30 mm plate에 첨가하여 37°C, 5% CO2 배양기에서 48시간 동안 배양하였다. 배양 후 scraper를 이용하 여 세포 단층에 빈 공간을 만들고, scratch로 인해 부유된 세포는 10% FBS가 함유된 DMEM으로 1–2회 세척하여 제거하였다. Dimethyl sulfoxide 또는 AG490 (20 μM)을 1시간 동안 처리한 후 P. gingivalis LPS (5 μg/mL)를 첨가하여 48시간 동안 배양 후 세포의 이동능력 을 현미경으로 관찰하여 계수하였다.
7. 통계처리
본 실험에 대한 실험 결과는 세 번 실험하여 얻어진 평균 및 평균의 표 준편차로 표시하였고 그룹 간의 통계적 차이는 Student’s t-test를 적 용하여 분석하였다. 통계분석에는 SigmaPlot version 8.0 software (Systat Software Inc., San Jose, CA, USA). 대조군과 비교하여 p < 0.05인 경우에 통계적으로 유의성이 있는 것으로 판정하였다.
Results
1. P. gingivalis LPS가 혈관평활근세포의 MMP-9 발현에 미치는 영향
MMP-2 또는 MMP-9는 혈관평활근세포의 이동능 조절에 주된 역 할을 하는 단백질 분해효소로 잘 알려져 있다[14]. 따라서 혈관평활근 세포에서 P. gingivalis LPS가 MMP-2 및 MMP-9의 발현에 미치는 영향을 조사하기 위해 시간 별로 P. gingivalis LPS를 처리하여 MMP- 2 mRNA 및 MMP-9 mRNA 발현을 real-time PCR으로 관찰하였다. Fig. 1A에서 보는 바와 같이 혈관평활근세포에 P. gingivalis LPS를 1, 2, 4, 8시간 째에 각각 처리하였을 때, MMP-2의 mRNA 발현은 8시 간에 조금 증가하였으나, MMP-9의 발현은 시간이 지남에 따라 크게 증가함을 관찰할 수 있었다. 그리고 P. gingivalis LPS를 혈관평활근세 포에 처리하였을 때 대조군에 비해 MMP-9의 단백질 발현이 P. gingivalis LPS의 처리시간에 의존해서 증가되고 있음을 Western blot 분 석법을 통해 확인할 수 있었고, MMP-2 단백질 발현은 P. gingivalis LPS 처리 8시간째에 증가되어 있었다 (Fig. 1B).
2. P. gingivalis LPS가 유도한 MMP-9의 발현에 JAK2/ STAT3 신호전달기전의 관련성
혈관평활근세포 및 몇몇 세포들에서 JAK2/STAT3 신호전달 경로를 통해 MMP-9의 발현을 조절한다고 보고되고 있다[15]. 따라서 본 연 구에서는 혈관평활근세포에서 P. gingivalis LPS가 JAK2 및 STAT3를 활성화시키는지를 알아보기 위해 P. gingivalis LPS를 혈관평활근세포 에 처리하여 JAK2와 STAT3 단백질의 인산화를 Western blot 분석법 으로 조사하였다. P. gingivalis LPS는 혈관평활근세포에서 JAK2 및 STAT3의 총단백질량에는 영향을 주지 않고, JAK2와 STAT3의 인산화 를 5분만에 유도하여 활성화시키고 있음을 관찰하였다(Fig. 2A). 다음 으로는 혈관평활근세포에서 P. gingivalis LPS가 유도하는 MMP-9의 발현에 JAK2/STAT3 신호전달 경로가 관여되는지를 알아보기 위해 혈 관평활근세포에 JAK2/STAT3 저해제인 AG490을 처리하여 MMP-9 의 발현을 조사하였다. 혈관평활근세포에 AG490을 전처리하였을 때 P. gingivalis LPS에 의해 유도된 MMP-9 mRNA 발현이 감소되었다 (Fig. 2B). MMP-9 mRNA의 발현 차이를 정량적으로 비교하고자 real- time PCR을 수행한 결과에서도 AG490이 P. gingivalis LPS가 증 가시켰던 MMP-9 mRNA 발현을 약 40% 크게 저해시켰으나, MMP- 2 mRNA 발현은 AG490에 의해 크게 유의성 없이 약 10% 정도 감소 되었다(Fig. 2C). 또한 P. gingivalis LPS에 의해 증가된 MMP-9 단백 질 발현이 AG490으로 전처리한 후 P. gingivalis LPS로 자극한 혈관 평활근세포군에서 증가된 MMP-9 발현이 감소되어 있음을 확인하였 다(Fig. 2D).
3. JAK2/STAT3 저해제가 P. gingivalis LPS가 유도하는 혈 관평활근세포의 이동능에 미치는 영향
P. gingivalis LPS가 촉진시키는 혈관평활근세포의 이동능에 JAK2/ STAT3 신호전달 기전이 관련되어 있는지를 조사하기 위해 JAK2/ STAT3 저해제인 AG490을 처리하여 P. gingivalis LPS가 증가시킨 이 동능에 어떠한 영향을 미치는지 조사하였다. Scratch wound migra- tion 분석에서 P. gingivalis LPS는 혈관평활근세포의 이동을 촉진시켰 고 AG490을 처리하였을 때는 그 이동되는 혈관평활근세포의 수가 감 소되어 있음을 확인할 수 있었다(Fig. 3A). 결과는 혈관평활근세포를 계수하여 나타내었다(Fig. 3B).
Discussion
혈관평활근세포의 증식, 이동, 축척 등이 죽상경화증의 주요 단계로 알려져 있다[16]. 죽상경화증의 진행단계 동안 성장인자, 염증성 시토 카인 등을 포함한 다양한 매개인자들이 혈관평활근세포의 증식과 중막 에서 내막으로의 이동을 촉진시키고, 수축성 상태에서 염증성 상태로 혈관평활근세포의 고유의 특징을 변화시킨다[17]. 일차적으로 치주조 직으로의 P. gingivalis의 감염이 일어나서 P. gingivalis가 혈류를 통해 침투하여 직접적으로 혈관염증에 영향을 미치거나 P. gingivalis LPS 와 같은 내독소 등에 의해 증가된 다양한 염증성 인자들에 의해 죽상경 화증의 진행에 영향을 주기도 한다[2]. 따라서 P. gingivalis가 혈관내피 세포의 기능 이상에 미치는 영향에 대한 연구는 다양하게 시도되어 왔 다[18]. 본 연구진도 P. gingivalis LPS가 혈관내피세포로의 단핵구 부 착을 촉진시키고, 혈관내피세포의 투과성을 증가시킨다는 사실을 보고 한 바 있다[12,19]. 최근에는 P. gingivalis가 혈관평활근세포의 기능 이상에 미치는 영향에 대한 연구들이 보고되고 있다. P. gingivalis, P. gingivalis LPS, P. gingivalis에서 유래한 outer membrane vesicle 등이 혈관평활근세포의 석회화를 유발시킨다고 알려져 있다[20-22]. 또한 P. gingivalis의 gingipain이 혈관평활근세포의 증식에도 관여한 다고 한다[23]. Apolipoprotein E 결손생쥐모델 및 low density lipoprotein receptor 결손생쥐모델에서 P. gingivalis 감염에 의해 죽상경 화증이 가속화된다는 사실이 잘 알려져 있다[18]. 향후 P. gingivalis를 감염시킨 혈관계 질환 생쥐 모델의 혈관조직에서 혈관평활근세포의 병 인기전에 대한 심화연구가 필요할 것으로 생각한다.
MMP는 세포외기질의 여러 가지 구성요소들을 분해하는 단백질 분 해효소로 잘 알려져 있으며, 상처 치유, 혈관 신생, 종양 형성, 염증 반 응 등과 같은 다양한 생리적, 병리적 과정에 관여하는 효소이다[14]. MMP 중 기저막에 있는 콜라겐 타입 IV를 분해하는 젤라틴분해효소로 알려진 MMP-2와 MMP-9는 사람의 죽상경화판 조직 및 생쥐의 죽상 경화증 모델에서 그 발현이 증가하는 것으로 알려져 있다[24,25]. 특히 MMP-9의 과다발현이 혈관평활근세포의 이동을 증가시키고 혈관평활 근세포의 리모델링에도 관여하는 것으로 보고되고 있다[26]. 본 연구에 서는 P. gingivalis LPS가 혈관평활근세포에서 STAT3의 활성을 통해 MMP-9의 발현을 조절하였다. MMP-9의 발현이 만성치주염 및 심혈 관계 질환에 동시에 상관관계를 보인다고 알려져 있다[27]. 그리고 순 환하는 P. gingivalis LPS가 MMP-9 의존적인 기전으로 염증성 반응 을 조절하여 심혈관계 질환의 위험도를 높인다고 보고하고 있다[28]. MMPs의 프로모터에는 nuclear factor-κB (NF-κB), activator protein- 1 (AP-1), polyoma enhancer activator 3, SP-1, STAT3 결합 부위들을 가지고 있다[29]. 특히 혈관평활근세포에서의 MMP-9의 발 현에 NF-κB 및 AP-1 전사인자들이 관여하고 있다고 보고된 바 있다 [30]. 다양한 인간 암들에서 P. gingivalis LPS는 toll-like receptor를 경유해서 NF-κB 전사인자를 활성화한다고 한다[4]. 그리고 STAT3와 NF-κB간의 기능적 상호작용에 의해 암화과정에서 염증성 반응을 일 으키는 유전자들의 발현을 조절한다고 한다[31]. 그리고 실제로 tumor necrosis factor-alpha 및 insulin-like growth factor-1에 의해 자 극을 받은 혈관평활근세포에서 STAT3와 NF-κB 단백질들 간의 결합 이 관찰되었다[32]. 따라서 P. gingivalis LPS가 혈관평활근세포에서 STAT3 및 NF-κB 전사인자가 MMP-9의 발현을 함께 조절할 수 있는 가능성에 대해서 추가연구가 필요할 것으로 생각한다.