Introduction
세포 내 칼슘 이온은 이차 메신저로서 근육 수축, 신경전달물질 분비, 체액 분비, 세포 외 배출 같은 활동에 중요한 역할을 담당한다[1,2]. 특 히, 췌장의 선세포(acinar cell)에서 inositol 1,4,5-triphosphate (IP3) 수용체와 ryanodine 수용체의 발견, 세포질그물망(endoplasmic reticulum, ER)의 내강을 통한 칼슘의 이동, 그리고 칼슘 신호전달 관련 채널 또는 단백들의 분포 및 이들 간의 상호작용 규명 등과 같은 칼슘 신호전달의 중요 개념들이 규명됐다[1-3]. 칼슘의 세포 내 유입은 다음 과 같이 구분된다. 첫 번째, 저장고-의존성 칼슘 유입(store-operated Ca2+ entry)은 ER의 칼슘 고갈에 의해 stromal interaction molecule 1 (Stim1)과 Orai 채널, 그리고 transient receptor potential canonical (TRPC) 채널들이 클러스터를 형성하여 활성화된다. 두 번째, 수용 체-의존성 칼슘 유입(receptor-operated Ca2+ entry)은 무스카린 작 용제인 아세틸콜린 또는 carbachol (CCh)과 같은 작용제가 G 단백 결 합 수용체(G protein-coupled receptor, GPCR)의 G 단백에 결합하 여 phospholipase C (PLC)에 의해 활성화되는 TRPC 채널들(TRPC4, TRPC5) 및 PLC 활성화 후 phosphatidylinositol 4,5-biosphosphate로부터 생성된 diacylglycerol (DAG)에 의해 활성화되는 TRPC 채널들(TRPC3, TRPC6, TRPC7)의 활성에 의해 나타난다[2-5].
칼슘의 세포 내 유입과 관련된 GPCR 중 일부는 스캐폴드 단백인 Homer 그룹의 단백들과 결합할 수 있는 결합 모티브를 가지며, Hom- er1, Homer2, Homer3로 분류된다. 이들 중 짧은 형태의 Homer1a 는 신경세포에서 지속적 자극에 의해 직접적으로 발현되는 초기 유전 자 산물이고[6], Homer1a를 제외한 모든 Homer 단백들은 긴 형태 로 이루어져 있으며, 중추신경계에 고르게 발현되어 있다. Homer 단 백들은 N-말단에 Ena/VASP homology 1 (EVH1) 단백 결합 도메인 과 C-말단에 coiled-coil 복합(multimerization) 도메인, 그리고 류신 지퍼(leucine zipper)로 구성된다. 특히, EVH1 도메인은 일부 GPCR 들, TRPC 채널들, IP3 수용체들, ryanodine 수용체들, 그리고 스캐폴 드 단백인 Shank 그룹 등과 결합하는 것으로 알려져 있다[7,8]. 이러한 Homer 단백은 신경 세포에서 시냅스 활성을 조절하는 시냅스 단백으 로 알려졌으나[6,7], 이후 비활성 세포에서의 연구들을 통해 Homer1 은 TRPC 채널과 IP3 수용체들의 결합을 도와 칼슘 유입을 조절하고[9], Homer2는 췌장의 선세포에서 G 단백과 PLC 활성 조절을 통해 GPCR 들의 칼슘 신호 유발 자극 강도를 조절하며[10], 이하선 선세포에서도 아밀라아제 분비와 관련한 칼슘 신호 유발 자극의 강도를 조절[11]할 뿐만 아니라, plasma membrane Ca2+-ATPase (PMCA)와 결합을 통해 세포 내 칼슘 농도([Ca2+]i)를 조절한다[12]는 것이 밝혀졌다. 또한, 골격근에서 Homer2는 근세포 분화과정 동안 ryanodine 수용체를 통 한 칼슘 분비 증가에 의해 nuclear factor of activated T cells type c1 (NFATc1)-의존적 신호전달 경로를 활성화시키고[13], Homer2와 Homer3가 T 림프구와 파골세포에서 calcineurin과 경쟁적으로 NFAT 에 결합하여 T 세포의 활성[14] 및 파골세포 분화 조절에 관여한다 [15,16]는 것이 밝혀졌다. 그럼에도 불구하고, 분비 조직에서 Homer 단백과 세포 내 칼슘 유입에 관여하는 수용체들 간의 상호 연관성 및 칼 슘 신호 유발과정에서 Homer 단백들의 역할은 여전히 명확히 알려져 있지 않다. 본 연구에서는 Homer2 유전자 제거(Homer2 –/– ) 마우스를 이용하여 췌장 선세포에서 저장고- 및 수용체-의존성 칼슘 유입을 매 개하는 채널들에 대한 Homer2의 역할 및 이들과의 상호작용을 통한 Homer2의 칼슘 신호 조절기전에 대한 영향을 알아보고자 하였다.
Materials and Methods
1. 재료
Fura-2-acetoxymethyl ester (Fura-2/AM)는 Molecular Probes (Eugene, OR, USA)에서 bovine serum albumin (BSA)과 pyruvic acid는 Amresco (Solon, OH, USA)에서 구입하였다. Collagenase type IV, carbamyl choline chloride (carbachol), soybean trypsin inhibitor, N-[2-hydroxyethyl] piperazine-N’-[2-ethanesulfonic acid] (HEPES), gadolinium chloride와 D-glucose는 Sigma (St. Louis, MO, USA)에서 구입하였으며, 2-aminoethoxydiphenyl borate (2APB)와 SKF96365는 Tocris Bioscience (Bristol, UK)에서 구입하였다.
2. 실험동물
대조군과 Homer2 유전자 제거(Homer2 –/– ) 마우스는 선행 연구에서 제작/사용되었던 실험동물(25–28 g)을 사용하였다[10-12]. 모든 실 험동물들은 연세대학교 치과대학 동물실에서 12시간 주/야 순환 주기 와 일정한 온도, 습도를 유지하면서 사료와 물을 자유로이 공급하며 사 육되었고, 연세대학교 실험동물 윤리위원회(IACUC 승인 번호 2010- 0211)의 윤리규정에 따라 실험하였다.
3. 췌장의 선세포 분리
췌장의 선세포 분리는 콜라게네이즈 분해법(collagenase digestion) 을 이용하여 선행연구에서 사용된 방법을 응용하여 실시하였다[12]. 분 리된 세포는 생리식염수(140 mM NaCl, 5 mM KCl, 1 mM MgCl2, 1 mM CaCl2, 10 mM HEPES, 10 mM glucose, 310 mOsm, pH 7.4 with NaOH)에 0.1% BSA와 0.02% soybean trypsin inhibitor 를 첨가한 solution A에 담근 후 사용할 때까지 얼음에 보관하였다.
4. 중합효소 연쇄 반응(polymerase chain reaction, PCR) 분석
총 RNA는 Trizol 시약(Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA)을 사용하여 제조사의 지시에 따라 분리한 후, Accu- Power RT PreMix (BIONEER, Daejeon, Korea)를 사용하여 역 전사(reverse transcriptase) PCR을 통해 cDNA를 획득하였다. 합 성된 cDNA는 HiPiTM PCR PreMix (Elpis, Busan, Korea)와 다음 의 primer 세트를 사용하여 제조사의 지시에 따라 PCR로 DNA를 증 폭하였다. Actin (F) 5′-TTTGATGTCACGCACGATTTCC-3′ (R) 5′-TGTGATGGTGGGAATGGGTCAG-3′; TRPC1 (F)S 5′-ATGAGAAGCTTTTCTTGCTG- 3′ (R) 5′-ATGAGAAGCTTTTCTTGCTG- 3′; TRPC3 (F) 5′-GACATATTCAAGTTCATGGTTCTC-3′ (R) 5′-ACATCACTGTCATCCTCGATCTC-3′; TRPC4 (F) 5′-CTGCAGATATCTCTGGGAAG- 3′ (R) 5′-GTCGGCAATTAGTTGGTAAG- 3′; TRPC6 (F) 5′-GCTGCTACTCAAGAAGGAAA-3′ (R) 5′-ACCTTTGTATGCATTGATCC-3′; Orai1 (F) 5′-TGCTCTGCTGGGTCAAGTTC- 3′ (R) 5′-CCAGTGGGAAGGTGAGGACT- 3′; Stim1 (F) 5′-CCAGAGTCTCAGCCATAGTC-3′ (R) 5′ -AGCCACTGTATCACCTCATC-3′; mGluR5 (F) 5′-CCCCAAAC TCTCCAGTCT-3′ (R) 5′-ATTTTTCACCTCGGGTTC-3′. PCR 산 물은 1.5% agarose 겔에서 분리되었다. 모든 실험자료의 분석은 ImageJ software (National Institutes of Health, Bethesda, MD, USA)를 이용하였다.
5. [Ca2+]i 측정
[Ca2+]i의 변화를 측정하기 위하여 대조군과 Homer2 –/– 마우스에서 분리한 췌장 선세포는 생리식염수에서 5 μM Fura-2/AM과 0.05% pluronic F-127를 60분간 처리하였다. Fura-2의 형광은 Molecular Devices (Downingtown, PA, USA) 이미징 시스템을 이용하였으며, 이때 파장은 excitation 파장(340 nm와 380 nm)과 emission 파장 (510 nm)을 사용하여 형광의 변화를 측정하였다(Ratio = F340/F380). Fura-2의 형광 변화 이미지들은 도립 현미경 (inverted microscope, Nikon Instruments Inc., Tokyo, Japan)에 부착된 CCD 카메라 (Photometrics, Tucson, AZ, USA)를 통하여 컴퓨터에서 2초 간격으 로 기록하였다. 모든 실험자료의 분석은 MetaFluor software (Molecular Devices)를 이용하였다.
6. 실험자료의 통계 분석
모든 실험자료의 수치 값은 평균값 ± 표준오차(mean ± standard error)로 표시하였다. 각 수치 값의 통계적 유의성 검증은 독립 t-test 를 시행하였으며, p < 0.05에서 통계적으로 유의하다고 평가하였다.
Results
1. 칼슘 유입을 매개하는 채널들의 발현 양상
이전의 연구들에서 Homer2 –/– 마우스의 췌장과 이하선 선세포에 서 Homer2 유전자의 결여는 칼슘 신호 관련 단백들의 발현 변화 및 GPCR 작용제에 대한 칼슘 신호의 변화를 유발하였다[10-12]. 이에 대 조군과 Homer2 –/– 마우스의 뇌 조직과 췌장 선세포에서 얻은 cDNA 를 이용하여 PCR을 통해 칼슘 유입을 매개하는 것으로 알려진 채널들 의 발현 변화를 확인하였다(Fig. 1A). 뇌 조직에서 칼슘 유입 매개 채널 들의 발현 양상은 대조군과 Homer2 –/– 마우스 모두에서 비슷하게 관찰 된 반면, Homer2 –/– 마우스의 췌장 선세포에서 TRPC3와 TRPC6 및 Orai1의 발현이 현저히 증가된 것을 확인하였다(Fig. 1B). 이러한 결과 들은 Homer2 단백의 발현이 [Ca2+]i의 조절에 관여하는 채널들과 밀접 한 연관성이 있음을 시사한다.
2. 특정 억제제에 의한 수용체-의존성 칼슘 유입의 조절 변화
Homer2 단백 발현 억제에 따른 췌장 선세포에서의 수용체-의존성 칼슘 유입 조절에 대한 영향을 조사하였다. 대조군과 Homer2 –/– 마우 스의 췌장에서 분리된 선세포에 외부 칼슘이 없는 환경에서 100 μM carbachol 자극에 의해 [Ca2+]i (initial Ca2+ peak)의 증가 후 5 mM 외 부 칼슘 자극에 의해 세포 내로 유입되는 [Ca2+]i (Ca2+ entry)을 측정하 였다. 그 결과, 대조군과 Homer2 –/– 마우스에서 수용체-의존성 칼슘 유입의 반응 크기는 유사하게 나타나는 것을 확인하였다(Fig. 2A and 2E). 다음으로 5 mM 외부 칼슘 자극에 의한 [Ca2+]i 증가 효과에 대하 여 칼슘 유입 매개 채널들에 작용하는 특정 억제제를 사용하여 수용체- 의존성 칼슘 유입의 변화를 조사하였다. 5 mM 외부 칼슘 자극과 함께 IP3 수용체와 저장고-의존성 칼슘 유입 작용을 저해하는 것으로 알려진 2APB를 처리한 후 [Ca2+]i를 측정한 결과, Fig. 2A와 2E의 결과와 비 교해서 2APB에 의한 대조군의 칼슘 유입 반응은 유의하게 감소하였다. 그러나, 대조군과 Homer2 –/– 마우스의 췌장 선세포에서 나타난 2APB 에 대한 [Ca2+]i 반응에 대해 두 그룹 간의 유의성은 확인할 수 없었다 (Fig. 2B and 2F). 반면, TRPC3, TRPC6, 또는 TRPC7 채널 매개 수 용체-의존성 칼슘 유입에 작용하는 gadolinium (Gd3+)을 처리한 후, Homer2 –/– 마우스의 췌장 선세포에서 나타나는 [Ca2+]i 반응은 대조군 과 비교해서 Gd3+의 영향이 없이 뚜렷한 [Ca2+]i 증가가 나타남을 확인 하였다(Fig. 2C and 2F). 또한, TRPC 채널들과 저장고-의존성 칼슘 유입 반응의 특이적 억제제인 SKF96365를 처리한 후 [Ca2+]i를 측정한 결과, 대조군과 Homer2 –/– 마우스의 췌장 선세포에서의 [Ca2+]i 유입은 현저히 감소되었으며 두 그룹 간의 유의성은 확인할 수 없었다(Fig. 2D and 2F). 이는 수용체-의존성 또는 저장고-의존성 칼슘 채널을 통한 [Ca2+]i 조절 작용에 Homer2 단백이 관여함을 시사한다.
Discussion
본 연구는 췌장 선세포에서 Homer2 단백의 발현 억제를 통해 저장 고- 및 수용체-의존성 칼슘 유입에 관여하는 채널들의 발현 증가 및 칼 슘 신호전달 과정에서 Orai1의 발현 증가를 통해 TRPC3와 TRPC6를 통한 수용체-의존성 칼슘 유입이 강화되었음을 확인하였다. 이러한 결 과는 Homer2 단백의 발현이 칼슘 유입을 매개하는 채널들의 발현 및 작용에 영향을 미칠 수 있음을 시사한다.
이전의 연구에서 췌장 선세포에서의 Homer2 단백의 발현 조절 은 IP3 수용체의 발현 및 작용과는 상관없이 SERCA2 단백(sarco/ endoplasmic Ca2+-ATPase 2) 발현 조절을 통해 [Ca2+]i를 조절하며, GPCR 작용제 처리에 의해 RGS 단백(regulators of G protein signaling protein)과 PLC의 GAP 단백(GTPase-activating proteins)의 활성 조절을 통해 자극 민감도를 증가시킨다고 알려졌다[10]. 또한, 본 연구진의 이전 연구들에서 이하선 선세포에는 스캐폴드 단백들이 결합 할 수 있는 PDZ 도메인(PSD-95/Dlg/ZO-1 domain)이 PMCA C- 말단에 위치하여 PDZ 도메인과 Homer1a의 결합으로 PMCA 발현 증 가 및 세포 내 칼슘 제거에 대한 속도 향상을 보이는 반면, PMCA N-말 단에 위치한 EVH1 도메인의 PPXXF 유사 모티브와 Homer2 결합은 이러한 반응들을 억제하며[12], 생리학적 농도의 carbachol 자극에 의 해 발생된 칼슘 진동(oscillations)의 진폭(amplitude) 조절 및 타액 분 비, 특히 아밀라아제 분비기능에 영향을 준다[11]는 것을 보고하였다. Homer2 단백 발현 조절에 의한 세포 내 칼슘 유입에 관여하는 채널들 의 발현 변화는 췌장 선세포에서만 유의하게 변하는 것을 확인할 수 있 었다. 이것은 췌장과 같은 분비 조직에서 칼슘 유입 조절과 관련한 칼 슘 신호전달 기전들이 주로 나타난다는 것을 재확인한 것이다[3]. 이전 의 보고들에 따르면, 2APB는 thapsigargin 자극에 의해 Stim1 또는 Orai1-Stim1 복합체의 발현 증가로 활성화된 저장고-의존성 칼슘 유 입 증가를 농도-의존적으로 억제하지만, Orai1과 Orai3의 활성에 의 한 칼슘 유입 증가 현상에 대해서는 억제 작용을 보이지 않는다고 알려 져 있다[17]. 또한, DAG-민감 TRPC3, TRPC6, 또는 TRPC7 수용체 들에 의해 매개된 수용체-의존성 칼슘 유입 증가 현상을 억제하는 것 으로 알려진 Gd3+은 Orai1과 Stim1의 과발현에 의한 수용체-의존성 칼슘 유입 증가에 대해서는 억제 작용을 보이지 않으며[18], TRPC3, TRPC6, 또는 TRPC7 매개 저장고-의존성 칼슘 유입의 증가 현상을 억 제하는 것으로 알려진 SKF96365는 Orai1-Stim1 복합체의 단독 활성 에 의한 저장고-의존성 칼슘 유입 증가를 억제하지 못한다고 보고되었 다[19]. 따라서, 본 연구 결과는 Homer2 단백 발현 조절이 carbachol 자극에 의한 수용체-의존성 칼슘 유입 증가 반응 시 Orai1과 TRPC3, TRPC6의 발현 증가에 의해 저장고- 및 수용체-의존성 칼슘 유입에 대 한 특이적 억제제들의 다양한 억제 반응을 유도하는 것임을 시사한다.
비흥분성 세포들에서 외부 자극에 대한 칼슘 신호의 변화들은 분비 작용과 밀접한 관련이 있으며, 이러한 [Ca2+]i의 증가는 Orai1와 Stim1 에 의한 저장고-의존성 칼슘 유입과 형질막의 칼슘 채널들을 통한 수용 체-의존성 칼슘 유입으로 구분되며, 특히 저장고-의존성 칼슘 유입 기 전에 의한 [Ca2+]i의 증가는 세포 외 배출을 지속시키는 것으로 알려져 있다[3,20]. 이렇게 분비 세포들은 [Ca2+]i의 생성과 증폭을 미세하게 조 절하며 세포의 기능을 담당하지만, 세포의 손상이나 기능 이상, 질환 등 에 의해 급성 췌장염, 구강건조증이나 자가면역 질환인 쇼그렌 증후군 (Sjgren’s syndrome) 등의 질환이 발생할 수 있다. 특히, 이러한 기능 이상은 Stim1과 TRPC 채널과 같은 칼슘 신호 인자들의 발현과 기능 변화에 기인하는 것으로 보고된다[3,20]. 본 연구의 결과는 Homer2 단백과 Orai1, 그리고 TRPC3와 TRPC6 채널과 같은 저장고- 및 수 용체-의존성 칼슘 유입 기전을 통하여 칼슘 신호의 활성 및 분비 기 능의 조절 가능성을 제시하였다. 본 논문은 비흥분성 분비 세포에서 Homer2 단백이 직접적으로 세포 내 칼슘 신호전달 매개 채널들의 발 현을 조절함과 동시에 다양한 칼슘 신호전달 패턴을 보여준다는 것을 직접적으로 보여주고 있으며, 이러한 연구결과는 분비 조직에서 발생 되는 안구 또는 구강건조증, 급성 췌장염과 같은 질병 연구에 큰 도움이 될 것으로 생각한다.