미토콘드리아활성산소촉진단백질로모 1 http://dx.doi.org/10.7599/hmr.2013.33.2.90 pissn 1738-429X eissn 2234-4446 유영도 고려대학교의과대학대학원의학과분자세포생물학실험실 Mitochondrial Reactive Oxygen Species Production Mediated by Romo1 Expression Young Do Yoo Laboratory of Molecular Cell Biology, Graduate School of Medicine, Korea University College of Medicine, Seoul, Korea Release of reactive oxygen species (ROS) generated in the mitochondria to the cytosol is well controlled by various proteins in order to maintain and regulate redox homeostasis and cellular signaling pathways, however, the exact mechanisms by which the proteins located in the mitochondrial membrane control ROS release still remains to be identified. Although there are reports that several proteins play a role in mitochondrial ROS release to the cytosol, little is known about how it is released into the cytosol or its origin. Recently, several reports demonstrated that the ROS modulator 1 (Romo1) protein located on the mitochondrial membrane modulates ROS release into the cytosol and that these ROS are indispensible for survival in both normal cells and tumor cells. If these ROS are over-produced or dysregulated in pathological conditions, they may cause oxidative damages resulting in a variety of diseases. Therefore, understanding and identifying the mechanisms by which ROS are released to the cytosol may offer new strategies for pharmaceutical therapy of diseases related to oxidative stresses. Key Words: Reactive Oxygen Species; Mitochondria; Oxidative Stress Correspondence to: Young Do Yoo 우 136-705, 서울시성북구인촌로 73, 고려대학교의과대학대학원의학과본관 715 호 Graduate School of Medicine, Korea University College of Medicine, 73 Inchonro, Seongbuk-gu, Seoul 136-705, Korea Tel: +82-2-2286-1362 E-mail: ydy1130@korea.ac.kr Received 7 March 2013 Revised 24 April 2013 Accepted 28 April 2013 This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 서론활성산소는세포내미토콘드리아내막에위치하는 respiratory chain의 complex I, III에서 leakage로인한전자 (electron) 가산소분자와반응을하여생성된다. 미토콘드리아에서생성된활성산소는크게 superoxide, hydroxyl radical 그리고 hydrogen peroxide (H 2O 2) 세종류가있다. 이중 superoxide 와 hydroxyl radical은미토콘드리아막을통과하지못하지만 H 2O 2 는단순한확산에의하여막을통과한다. 지나친활성산소는세포내에서 DNA, RNA, 단백질, 세포내소기관등에손상을주며지속적일때여러질병을일으킨다. 활성산소는내부또는외부신호에의하여생성이되는데세포내에서생성된활성산소는대부분제거되지만, 지속적인 활성산소가발생하여만성적인상태가유지되면인체에각종염증과질병을일으키게된다. 염증으로인하여직접적으로발병하는질병은암 (cancer), 간섬유증 (liver fibrosis), 염증성통증 (inflammatory pain), 글루탐산염유도통증과민증 (glutamate-induced hyperalgesia), 신경병성통증 (neuropathic pain), 섬유근통 (fibromyalgia), 만성췌장염 (chronic pancreatitis) 등으로매우다양하다 [1]. 이와같이활성산소는세포와생명체에수많은질병의원인이되지만활성산소는세포내에서신호전달에중요한매개체로작용하며세포의생존과성장에중요한역할을한다 [2,3]. 세포내 H 2O 2 의농도는 0.001 μm에서높게는 0.7 μm까지존재하는것으로알려져있다 [4]. 지금까지신호전달에서역할을하는활성산소는주로 nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADPH) oxidase 90 2013 Hanyang University College of Medicine http://www.e-hmr.org
유영도 미토콘드리아활성산소촉진단백질로모 1 HMR 와같은세포내효소에의해서생성된다고많이알려져있지만최근에미토콘드리아에서유래하는활성산소도세포의생존과성장에중요한역할을한다고알려지기시작하였다. 이와같이생명체는미토콘드리아에서생성된적절한양의활성산소를세포의여러기능에유용하게이용하지만이에대한자세한분자생물학적인작용기전은현재많이알려져있지않다. 최근에 reactive oxygen species modulator 1 (Romo1) 이라는단백질이발견되었고, Romo1 은미토콘드리아막에존재하면서미토콘드리아 respiratory chain의 complex III에서생성되는활성산소를이용하여세포질에서의활성산소의양을증가시킨다고보고되고있다 [5]. 본고에서는미토콘드리아 respiratory chain의 complex III에서의활성산소생성기전과여기서생성되는활성산소를생명체가어떻게적절히이용하는지지금까지보고된논문을바탕으로고찰하고자한다. 더나아가과도하고지속적인미토콘드리아유래활성산소가인체의질병에미치는영향을살펴보고자한다. 본론 1. 미토콘드리아 respiratory chain에서활성산소생성세포내미토콘드리아의가장주요한기능은 ATP 생산이다. ATP 생산은 respiratory chain에서일어나며다섯개의다단위체 (multisubunits; respiratory complexes I IV와 F 1F O-ATP synthase) 와두인자 (cytochrome c [Cyt c] 와 coenzyme Q10) 로이루어져있으며미토콘드리아내막에위치한다 [6,7]. 이과정중에서전자가미토콘드리아 respiratory chain에서방출되어산소분자를불완전환원시켜 superoxide 를생성시키고 superoxide 는 H 2O 2 로전환된다. 호흡에필요한산소중약 1-2% 가불완전환원이되어 superoxide 를생성시키는것으로알려져있다 [8,9]. Superoxide 는미토콘드리아 matrix에있는 manganese superoxide dismutase (Mn-SOD) 에의하여또는 intermembrane space (IMS) 에존재하는 copper/zincsuperoxide dismutase (Cu/Zn-SOD) 에의하여 H 2O 2 로변한다. 미토콘드리아내에서 superoxide 가발생되는곳은많이알려져있고, 이들중가장중요한장소는 respiratory chain의 complex I과 III이다 [10,11]. 본고에서는미토콘드리아활성산소생성장소중에서 complex I과 III에대하여고찰하고자한다. 1) Complex I (NADH-ubiquinone oxidoreductase) Complex I은 NADPH로부터의전자를 coenzyme Q를통하여 complex III로전달하는역할을한다. Complex I에서의 superoxide 생성은두작용기전 (NADH-linked forward electron transport, succinate-linked reverse electron transport) 이보고되고있다 [12-14]. Complex I에서의 superoxide 생성에관한연구는주로미토콘드리아를분리한후이루어졌다. 이경우 NADH/NAD + ratio가높 을때또는 succinate 에서 NAD + 로의 reverse electron transport일경우활성산소의생성이높았다. 그렇지만실제로 physiological condition 에서의정확한작용기전은더많은연구를필요로하고있다. Complex I에서발생하는 superoxide 는 matrix 방향으로방출된다 [15]. 2) Complex III (ubiquinol-cytochrome c oxidoreductase) Superoxide 발생은미토콘드리아의여러장소에서발생하지만이중 respiratory chain의 complex III가중요한장소로알려져있고 superoxide 는 Q-cycle에서발생한다 [10,16,17]. Complex III는 11개의단백질, 3개의헴 (heme) 그리고 Fe-S center 로이루어져있으며 coenzyme Q (ubiquinol, QH 2) 로부터전자를받아서 Cyt c로전달하는역할을한다 [18]. Q-cycle을간략하게설명하면 coenzyme Q (ubiquinone, Q) 는 complexes I 또는 II로부터두개의전자를받아서 reduced coenzyme Q (ubiquinol, QH 2) 로된다. QH 2 는 complex III의 IMS-proximal Q o site (Q o site) 에서전자를 Cyt c 로전달한다. 그런데 QH 2 는두개의전자를포함하고있지만 Cyt c 는한개의전자만을받을수있다. 그렇기때문에 QH 2 는한개의전자만을 Rieske iron-sulfur protein (RISP) 을통하여 Cyt c 1 으로전달한다. 이때 QH 2 는일시적으로 ubisemiquinone (QH ) 으로바뀐다. Cyt c 1 의전자는 Cyt c를통하여 complex IV (cytochrome oxidase) 로전달된다. 나머지전자의전달을해결하기위하여생명체는 Q-cycle 을이용한다. Ubisemiquinone 의한개의전자는 RISP 에의하여 cytochrome b로전달된다. 전자는 cytochrome b L 과 cytochrome b H 를통과하여 matrix-proximal Q i site에위치에서 ubiquinone을환원시켜 ubisemiquinone 이되고 ubisemiquinone 은이어서 ubiquinol 이된다. 이러한 Q-cycle 과정에서 ubisemiquinone 에서의자유전자 (free electron) 가산소와결합하여 superoxide 가발생한다. 또한이과정에서 antimycin은 Q i site의 cytochrome b center에서 ubiquinone 로의전자전달을차단하여결과적으로 superoxide의발생을촉진시킨다 [19]. 반면에 myxothiazol과 stigmatellin은 Q o site에서 superoxide 의발생을낮추게한다 [16,20]. 3) 기타인자미토콘드리아에서활성산소의발생은위에서언급한 complex I 과 complex III 이외에도여러장소에서만들어진다. Brand 등은 complex I (site IQ), complex III (site IIIQ o), glycerol 3-phosphate dehydrogenase, flavin in complex I (site IF), electron transferring flavoprotein: Q oxidoreductase (ETFQOR) of fatty acid beta-oxidation, pyruvate and 2-oxoglutarate dehydrogenase 의 7 장소에서활성산소가만들어지며미토콘드리아 matrix 방향으로활성산소를방출시킨다고발표하였다 [10,11]. 이중 complex III와 glycerol 3-phosphate dehydrogenase 는 IMS로도방출시킨다 [19,21,22]. http://www.e-hmr.org 91
HMR Young Do Yoo Mitochondrial ROS Production by Romo1 2. 미토콘드리아유래활성산소생성조절인자미토콘드리아활성산소는세포에손상을주는동시에세포의성장, 사멸, 세포분열, redox homeostasis 에기여하는것으로알려져있다 [1]. 이때미토콘드리아 complex III에서발생한활성산소는단순한확산에의하여세포질로전달된다. 또한세포는이과정을능동적으로진행한다. 지금까지이과정에작용하는작용기전과단백질은일부알려져있고, 정확한작용기전은많은연구를필요로한다. 이과정에작용하는단백질을세포는미토콘드리아가아닌세포질에서합성하여미토콘드리아로수송하게된다. 본고에서는이과정에작용하는단백질중특히 Romo1 에대하여알아보고자한다. 1) Romo1 Romo1 은 2006년에처음보고되었으며항암제내성관련유전자를발견하기위하여항암제치료동안에항암제에내성을보여주는환자의조직에서발현이증가한유전자를탐색중에확인하였다. 이유전자는미토콘드리아에위치하며발현이증가할경우세포내활성산소를증가시켰다 [23]. Romo1 은 NADPH oxidase나 xanthine oxidase, cyclooxygenases, lipoxygenases 와달리활성산소를생성하는효소특징을갖고있지않고미토콘드리아막에위치하며 8.9 kda의분자량을가진 transmembrane 단백질이기때문에효소보다는막에위치하는통로 (channel) 로서작용을하여미토콘드리아에서발생하는활성산소를세포질로수송하는역할을갖고있을것으로생각된다 [5,7]. (1) Romo1의생리학적기능에관한연구 Small interfering RNA (sirna) 를이용하여 Romo1 의발현을감소시켰을경우 immortalized 세포인 WI VA13 세포의활성산소의 basal levels를감소시켰다 [24]. 이러한사실은 Romo1 의세포내에서의일정한발현이세포의 redox homeostasis 에중요하다는것을의미한다. Romo1 의발현을감소시켰을경우 extracellular signal-regulated kinase (ERK) 활성화를저해하였고 p27 Kip1 의발현을감소시켰다. 이러한사실은 Romo1 발현에의하여유지되는 redox homeostasis 가세포의생존 (survival), 증식 (proliferation), 세포주기진행 (cell cycle progression) 에중요하다는것을의미한다. 두번째 Romo1 의생리학적역할은 tumor necrosis factor-alpha (TNFα) 유도미토콘드리아 ROS 생성신호전달경로에서 Romo1 은중요한매개체이다 [5]. Fig. 1에서와같이 TNF-α 신호에반응하여 TNF complex II는 Romo1 의 C-말단에결합한다. Romo1 은동시에 Bcl- X L 에결합하여미토콘드리아의막전위 (mitochondrial membrane potential, ΔΨm) 을감소시킨다. 이어서활성산소가증가하고세포자멸사 (apoptosis) 에의한세포사멸 (apoptotic cell death) 이일어난다. 이때 Bax 단백질이 Bcl-X L 로부터방출된다. 또다른 Romo1 의기능은 c-myc 의음성적피드백조절자 (negative feedback regula- NF-κB Survival TNF-α TNF-R1 CHX tor) 로작용하는것이다 [25]. c-myc 은세포성장신호를받아단백 질의양이증가하고 G1 에서 S phase 로의세포주기진행을유도한 다. 곧이어 c-myc turnover 를위하여 c-myc 은 Romo1 발현을증가 시키고 Romo1 은세포내활성산소를증가시켜 S-phase kinase-associated protein 2, E3 ubi quitin protein ligase (Skp2) 매개 c-myc 분해 (Skp2-mediated c-myc degradation) 를유도한다. (2) Romo1 과질병과의연관성 Complex II Complex II Romo1 Bcl-XL Bax FHC Mn-SOD GADD45 A20 XIAP Romo1 Bcl-XL ΔΨm Fig. 1. A signaling pathway for TNF-α-induced ROS production through Romo1. TNF, tumor necrosis factor; TNF-R, TNF receptor; NF-κB, nuclear factor-kappab; FHC, ferritin heavy chain; Mn-SOD, manganese superoxide dismutase; GADD, growth arrest and DNA-damage-inducible; A20, tumor necrosis factor inducible protein A20; XIAP, X- linked inhibitor of apoptosis protein; JNK, c-jun N-terminal kinase; CHX, cycloheximide. Romo1 의질병과의연관성연구로종양과의연관성이많이연구 되었다. 초기연구에서대부분의종양세포에서 Romo1 의발현이증 가한것을확인하였다 [23]. 많은암세포에서활성산소의양이높게 관찰되었는데 Romo1 sirna 를이용하여 Romo1 의발현을 knockdown 하였을경우종양세포에서의 ROS 가감소하였다. 이러한사 실은암세포에서의높은활성산소의원인이증가한 Romo1 발현에 기인한다는것을의미한다 [26]. 종양세포에서 Romo1 의발현을감 소시켰을경우 ERK 활성화를저해하였고이러한사실은 Romo1 발현에의하여유지되는 redox homeostasis 가암세포의생존, 증식, 세포주기진행에중요하다는것을말하여준다. 이밖에도 Romo1 을인위적으로과발현하였을경우암세포는항암제인 fluorouracil (5-FU) 과시스플라틴 (cisplatin) 에내성을보였다 [27]. 종양세포뿐만아니라환자의암조직에서 Romo1 의발현이증가 하는지를검색하기위하여간암환자조직에서 Romo1 과발현 (over- ROS Prolonged JNK activation Caspase activation Cell death Bax 92 http://www.e-hmr.org
유영도 미토콘드리아활성산소촉진단백질로모 1 HMR expression) 을조사하였는데 95명간암환자의종양조직의 60% 에서 Romo1 의발현이증가하였고종양조직에서 Romo1 과발현이발견된환자의생존율이낮았다 [28]. 그뿐만아니라 Romo1 의과발현이종양크기및종양침습 (tumor invasion) 과직접적인연관성이있다. 암세포에서활성산소는증가한상태이며종양의개시 (initiation), 증진 (promotion), 진행 (progression) 에관여하며특히종양세포침습에관여하는데 [29] 종양세포에 Romo1 을과발현시켰을경우종양침습이증가하였고종양침습이증가된암세포에 Romo1 의발현을감소시켰을경우종양침습이감소됨을관찰하였다 [28]. 종양이외의질병과의연관성에관한연구는초기상태이며지금까지밝혀진결과로세포노화와 TNF-α 유도질병과의연관성이일부알려져있다. Romo1 은노화가일어난세포에서발현이증가하였는데 Romo1 을과발현하였을경우세포노화가촉진되었고 Romo1 의발현감소는세포의노화진행을차단하였다 [30]. 또한 TNF-α에의하여유도되는지나친세포사 (cell death) 는염증을유발하고각종질병에직접적인연관성이있는데 TNF-α 유도미토콘드리아 ROS 생성및세포사에서 Romo1 이중요한역할을한다 [5]. [36]. Bax 단백질은 stress를받아서 mitochondrial outer membrane permeabilization (MOMP), Cyt c 방출을유도한다 [37]. Bax 단백질이활성산소생성에관여하지만정확한작용기전은아직규명되지않았다 [38]. p53은세포주기정지 (cell-cycle arrest), DNA 회복 (repair), 세포자멸사, 노화 (senescence) 에서중요한역할을한다 [39]. p53은활성산소생성에양성적 (positive) 또는음성적 (negative) 역할을하며이러한작용은전사의존적 (transcription-dependent) 또는비의존적 (independent) 기전에의하여일어난다. p53은 ROS 생성 (ROSgenerating) 효소인 quinine oxidoreductase (NQO1, PIG3), proline oxidase (POX, PIG6) 의발현을증가시켜세포자멸사를유도한다 [40]. 또한 p53은 Bax, p53 upregulated modulator of apoptosis (PUMA), p66 Shc 의발현을증가시켜세포자멸사를유도한다 [33]. p53 은반대로항산화유전자인 sestrin 1 (SESN1), SESN2, glutathione peroxidase-1 (GPX1), tumor protein p53 inducible nuclear protein 1 (TP53 INP1) 의발현을증가시켜 redox homeostasis 를유지하는역할을한다 [41]. 2) 기타인자미토콘드리아활성산소를세포질로의수송에역할을하는인자의작용기전은일부밝혀지고있지만이에대한연구는아직활발하게이루어지고있지않다. 최근에 p66 Shc 가미토콘드리아활성산소생성에역할을한다는것이보고되었다. p66 Shc 단백질은자외선이나활성산소자극에의하여세린 (serine) 이인산화되며 p53에의하여유도되는활성산소생성, Cyt c 방출, 세포자멸사에서매개체로역할을한다 [31]. p66 Shc 가결여된마우스 (p66 Shc-/- mice) 는수명이 30% 증가하였고 p66 Shc 가결여된세포에서스트레스 (stress) 에의한세포자멸사가방해되었다 [31]. p66 Shc 는스트레스에의해활성화된인산화효소인 protein kinase C-beta (PKC-β) 에의하여인산화되면미토콘드리아의 IMS로이동한다 [32]. 이때 p66 Shc 는 Cyt c를산화시켜 H 2O 2 를생성시키고 protein tyrosine phosphtase (PTP) 를개방하여세포자멸사를유도한다 [33]. 미토콘드리아활성산소를세포질로의수송에서 Bcl-2 family도역할을한다. Bcl-2 family는 Bcl-2 homology domain (BH 영역 ) 을포함하는단백질로 anti-apoptotic 과 pro-apoptotic 단백질로분류된다. Anti-apoptotic 단백질인 Bcl-2와 Bcl-X L 는 4개의 BH 영역 (BH1-4) 을포함하고 pro-apoptotic 단백질인 Bax와 Bak은 3개의 BH 영역 (BH1-3) 을포함하며 Bad와 Bid 단백질은 BH3 영역을포함한다 [34]. Bcl-2는 antioxidant 기능과 anti-apoptotic 기능을하는것으로보고되었지만활성산소생성에서정확한작용기전은아직잘규명되지않았다 [35]. Bcl-X L 단백질도 antioxidant 기능과 anti-apoptotic 기능을갖고있고 TNF-α에의하여일어나는 ΔΨm 감소를차단하고 mitochondrial homeostasis 의역할을수행한다 3. 미토콘드리아활성산소와관련질병인체에서 unbalanced ROS level은만성염증질환을포함하는각종질병의원인으로작용하며특히미토콘드리아에서 ROS의 leakage가일어나면인체의각종질병을유도하게된다 [1]. 현재까지암, 노화과정 (aging process), 신경변성장애 (neurodegenerative disorders) 를포함하여관절염 (arthritis), 죽상동맥경화증 (atherosclerosis), 페섬유증 (pulmonary fibrosis) 등이 ROS와관련되어있는것으로알려져있다 [42]. 1) 암활성산소는주로미토콘드리아 respiratory chain에서발생하며대부분의활성산소는세포내항산화효소등에의하여바로제거된다. 그렇지만외부스트레스나유전적결함에의하여활성산소의양이과도하게또는지속적으로증가하였을경우활성산소는 DNA 손상 (damage) 과다수의임의유전자돌연변이 (multiple random genetic mutations) 및유전체불안정성 (genomic instability) 을유도하여암의개시, 증진, 진행에기여한다 [1]. 지나친활성산소는외부스트레스이외에도여러발생경로가있다. H-Ras 또는 c-myc 과같은종양유전자 (oncogene) 는다량의활성산소를발생시켜유전적안정성 (genetic stability) 을유도한다 [3]. 일반적으로종양세포에서의활성산소의세포내양은증가되어있다 [43]. 종양세포에서증가한활성산소의근원과역할에대하여 Laurent 등은 NIH 3T3 세포와같이비형질전환 (nontransformed) 세포에서의활성산소의양은적으며 NADPH oxidase 로부터유래하지만종양세포에서의활성산소의양은높고미토콘드리아에서 http://www.e-hmr.org 93
HMR Young Do Yoo Mitochondrial ROS Production by Romo1 유래한다고보고하였다 [44]. 활성산소의양이증가된종양세포에항산화제를처리하였을경우종양세포의성장을저해한결과로부터종양세포에서의활성산소는세포성장에필수적이라고보고하였다 [44]. 종양세포의증가된활성산소는종양세포의증식, DNA 손상이외에도종양침습과같은종양진행 (tumor progression) 에도기여를한다. 활성산소를상피세포에지속적으로처리하였을경우악성세포전환 (malignant transformation) 과침습잠재력 (invasion potential) 을증가시켰다 [45]. 2) 신경변성 (neurodegeneration) 신경변성은뉴런의사멸또는기능상실이원인이며신경변성질환으로는파킨슨병 (Parkinson s disease), 알츠하이머병 (Alzheimer s disease), 헌팅톤병 (Huntington s disease) 이있다. 이러한신경변성질환의원인은다양하지만이중미토콘드리아의기능이상 (dysfunction) 과산화스트레스 (oxidative stress) 도주요한원인으로알려져있다 [46]. 미토콘드리아는세포내 ATP 생성의주요기관이며세포의생과사멸에중요한역할을한다. 그런데뉴런은에너지요구량 (energy demands) 이매우높기때문에미토콘드리아기능이상에매우취약하다. 뉴런의미토콘드리아기능이상으로 ATP 생성이저해되고활성산소의발생이초래된다. 증가된활성산소는미토콘드리아 DNA를손상하고산화적손상 (oxidative damage) 을가속시켜뉴런의사멸과신경변성을유도한다. 3) 죽상동맥경화증 (atherosclerosis) 죽상동맥경화증은혈관내피 (endothelium) 에지방과콜레스테롤등이침착하여혈관이좁아지거나막히게되어발생하는혈관질환이다. 증상으로협심증, 심근경색증, 뇌졸증, 신부전등의질환을일으킨다. 죽상동맥경화증의원인으로다양한인자가알려져있는데그중미토콘드리아기능이상도죽상동맥경화증의발생과진행에중요한역할을한다. 미토콘드리아기능이상은활성산소의발생을초래하고지질, 단백질그리고미토콘드리아 DNA에손상을주며산화적손상을가속시켜죽상동맥경화증을유도한다 [47]. 4) 폐질환만성산화스트레스는특발폐섬유증 (idiopathic pulmonary fibrosis, IPF), 만성폐쇄폐질환 (chronic obstructive pulmonary disease, COPD), 폐암등폐손상과관련된폐질환의주요병인기전이된다. COPD는폐장의만성염증질환으로흡연, 대기오염등의다양한환경적인요인과노화등이주된원인으로알려져있으며발병기전에대한연구가활발하게이루어지고있으나아직도질병의발병기전규명에있어많은연구가필요하다. 흡연과 COPD의발생에대한역학적인측면및폐기능저하에대하여는역학적인연구를통하여많은것이알려져있다. 흡연및여러스트레스에의하 여유도되는만성염증반응은 COPD 발병및진행에중요한역할을한다. 흡연은 ROS의증가를유도하며흡연에노출된마우스에서 oxidant-damage 의증가가관찰된다. 특히흡연은 TNF-α, interleukin (IL)-1β, IL-8 같은 pro-inflammatory mediators 의발현을증가시키며 TNF-α는산화스트레스를유도하고미토콘드리아유래활성산소를유도한다 [48-50]. 각종염증자극 (inflammatory stimuli) 에의해폐의내피세포, 폐포세포및기도의상피세포와대식세포 (macrophage) 에의해 ROS 가발생한다. 이러한 oxidant-antioxidant 간의불균형이 transforming growth factor (TGF)-beta 등염증성시토카인 (inflammatory cytokine) 과성장인자생성에영향을줌으로써특발폐섬유증등많은섬유질환 (fibrotic disease) 의병인기전에중요한역할을하는것으로알려져있다. 섬유폐질환 (fibrotic lung disease) 중대표적인질환인 IPF는만성적으로진행되는간질폐질환의하나로, 병의경과가좋지않고증명된치료방법이없는질환이다. IPF는그병인이제대로밝혀져있지는않지만, 흡연력이있는중년의연령대에발생하며흡연과 IPF의발생에대한역학적인측면및폐기능저하에대하여는역학적인연구를통하여많은것이알려져있다. 결론신규단백질 Romo1 이미토콘드리아에서활성산소를증가시키는정확한작용기전은아직잘모른다. Romo1 은미토콘드리아막에존재하며통로를구성할수있는 oligomerization sequence인 GXXXG motif를포함하고있다. 그렇기때문에 Romo1 은미토콘드리아막의새로운통로로서미토콘드리아와세포질과의활성산소, 이온등의이동에관여할가능성이있고, Romo1 의기능에이상이있을경우각종질병을유발할가능성이높다. 만약 Romo1 이미토콘드리아막의통로이고, 이와관련된정확한구조와기능이확실히규명되면가장근본적인원인을차단하여관련질병에대한신약개발에서의신규표적으로이용이가능하다. 많은신약개발에서신호전달경로의수용체의활성도를조절하여이루어지고있다. 그렇지만수용체를표적으로하는신약개발의문제점은다른신호전달경로의비이상적인증폭을유발하여원하지않는부작용이나다른정상세포의신호전달을억제할가능성이크다는것이다. 시토카인또는스트레스에일차반응하는수용체는세포내에여러신호를전달에관여하기때문에질병유도에직접연관되어있는비정상적으로활성화된중간매개체를조절하여질병의예방및치료가가능하다. REFERENCES 1. Droge W. Free radicals in the physiological control of cell function. Physi- 94 http://www.e-hmr.org
유영도 미토콘드리아활성산소촉진단백질로모 1 HMR ol Rev 2002;82:47-95. 2. Bae YS, Kang SW, Seo MS, Baines IC, Tekle E, Chock PB, et al. Epidermal growth factor (EGF)-induced generation of hydrogen peroxide. Role in EGF receptor-mediated tyrosine phosphorylation. J Biol Chem 1997;272: 217-21. 3. Irani K, Xia Y, Zweier JL, Sollott SJ, Der CJ, Fearon ER, et al. Mitogenic signaling mediated by oxidants in Ras-transformed fibroblasts. Science 1997;275:1649-52. 4. Stone JR, Yang S. Hydrogen peroxide: a signaling messenger. Antioxid Redox Signal 2006;8:243-70. 5. Kim JJ, Lee SB, Park JK, Yoo YD. TNF-alpha-induced ROS production triggering apoptosis is directly linked to Romo1 and Bcl-X(L). Cell Death Differ 2010;17:1420-34. 6. Galluzzi L, Morselli E, Kepp O, Vitale I, Rigoni A, Vacchelli E, et al. Mitochondrial gateways to cancer. Mol Aspects Med 2010;31:1-20. 7. Bae YS, Oh H, Rhee SG, Yoo YD. Regulation of reactive oxygen species generation in cell signaling. Mol Cells 2011;32:491-509. 8. Chance B, Sies H, Boveris A. Hydroperoxide metabolism in mammalian organs. Physiol Rev 1979;59:527-605. 9. Kudin AP, Bimpong-Buta NY, Vielhaber S, Elger CE, Kunz WS. Characterization of superoxide-producing sites in isolated brain mitochondria. J Biol Chem 2004;279:4127-35. 10. Andreyev AY, Kushnareva YE, Starkov AA. Mitochondrial metabolism of reactive oxygen species. Biochemistry (Mosc) 2005;70:200-14. 11. Brand MD. The sites and topology of mitochondrial superoxide production. Exp Gerontol 2010;45:466-72. 12. Hansford RG, Hogue BA, Mildaziene V. Dependence of H2O2 formation by rat heart mitochondria on substrate availability and donor age. J Bioenerg Biomembr 1997;29:89-95. 13. Kwong LK, Sohal RS. Substrate and site specificity of hydrogen peroxide generation in mouse mitochondria. Arch Biochem Biophys 1998;350: 118-26. 14. Lambert AJ, Brand MD. Superoxide production by NADH:ubiquinone oxidoreductase (complex I) depends on the ph gradient across the mitochondrial inner membrane. Biochem J 2004;382:511-7. 15. St-Pierre J, Buckingham JA, Roebuck SJ, Brand MD. Topology of superoxide production from different sites in the mitochondrial electron transport chain. J Biol Chem 2002;277:44784-90. 16. Turrens JF, Alexandre A, Lehninger AL. Ubisemiquinone is the electron donor for superoxide formation by complex III of heart mitochondria. Arch Biochem Biophys 1985;237:408-14. 17. Hamanaka RB, Chandel NS. Mitochondrial reactive oxygen species regulate cellular signaling and dictate biological outcomes. Trends Biochem Sci 2010;35:505-13. 18. Iwata S, Lee JW, Okada K, Lee JK, Iwata M, Rasmussen B, et al. Complete structure of the 11-subunit bovine mitochondrial cytochrome bc1 complex. Science 1998;281:64-71. 19. Chen Q, Vazquez EJ, Moghaddas S, Hoppel CL, Lesnefsky EJ. Production of reactive oxygen species by mitochondria: central role of complex III. J Biol Chem 2003;278:36027-31. 20. Ksenzenko M, Konstantinov AA, Khomutov GB, Tikhonov AN, Ruuge EK. Effect of electron transfer inhibitors on superoxide generation in the cytochrome bc1 site of the mitochondrial respiratory chain. FEBS Lett 1983;155:19-24. 21. Muller FL, Liu Y, Van Remmen H. Complex III releases superoxide to both sides of the inner mitochondrial membrane. J Biol Chem 2004;279: 49064-73. 22. Miwa S, Brand MD. The topology of superoxide production by complex III and glycerol 3-phosphate dehydrogenase in Drosophila mitochondria. Biochim Biophys Acta 2005;1709:214-9. 23. Chung YM, Kim JS, Yoo YD. A novel protein, Romo1, induces ROS production in the mitochondria. Biochem Biophys Res Commun 2006;347: 649-55. 24. Chung JS, Lee SB, Park SH, Kang ST, Na AR, Chang TS, et al. Mitochondrial reactive oxygen species originating from Romo1 exert an important role in normal cell cycle progression by regulating p27(kip1) expression. Free Radic Res 2009:43:729-37. 25. Lee SB, Kim JJ, Chung JS, Lee MS, Lee KH, Kim BS, et al. Romo1 is a negative-feedback regulator of Myc. J Cell Sci 2011;124:1911-24. 26. Na AR, Chung YM, Lee SB, Park SH, Lee MS, Yoo YD. A critical role for Romo1-derived ROS in cell proliferation. Biochem Biophys Res Commun 2008;369:672-8. 27. Hwang IT, Chung YM, Kim JJ, Chung JS, Kim BS, Kim HJ, et al. Drug resistance to 5-FU linked to reactive oxygen species modulator 1. Biochem Biophys Res Commun 2007;359:304-10. 28. Chung JS, Park S, Park SH, Park ER, Cha PH, Kim BY, et al. Overexpression of Romo1 promotes production of reactive oxygen species and invasiveness of hepatic tumor cells. Gastroenterology 2012;143:1084-94 e7. 29. Wu WS. The signaling mechanism of ROS in tumor progression. Cancer Metastasis Rev 2006;25:695-705. 30. Chung YM, Lee SB, Kim HJ, Park SH, Kim JJ, Chung JS, et al. Replicative senescence induced by romo1-derived reactive oxygen species. J Biol Chem 2008;283:33763-71. 31. Migliaccio E, Giorgio M, Mele S, Pelicci G, Reboldi P, Pandolfi PP, et al. The p66shc adaptor protein controls oxidative stress response and life span in mammals. Nature 1999;402:309-13. 32. Pinton P, Rimessi A, Marchi S, Orsini F, Migliaccio E, Giorgio M, et al. Protein kinase C beta and prolyl isomerase 1 regulate mitochondrial effects of the life-span determinant p66shc. Science 2007;315:659-63. 33. Giorgio M, Migliaccio E, Orsini F, Paolucci D, Moroni M, Contursi C, et al. Electron transfer between cytochrome c and p66shc generates reactive oxygen species that trigger mitochondrial apoptosis. Cell 2005;122: 221-33. 34. Reed JC. Proapoptotic multidomain Bcl-2/Bax-family proteins: mechanisms, physiological roles, and therapeutic opportunities. Cell Death Differ 2006;13:1378-86. 35. Hockenbery DM, Oltvai ZN, Yin XM, Milliman CL, Korsmeyer SJ. Bcl-2 functions in an antioxidant pathway to prevent apoptosis. Cell 1993;75: 241-51. 36. Vander Heiden MG, Chandel NS, Williamson EK, Schumacker PT, Thompson CB. Bcl-xL regulates the membrane potential and volume homeostasis of mitochondria. Cell 1997;91:627-37. 37. Wolter KG, Hsu YT, Smith CL, Nechushtan A, Xi XG, Youle RJ. Movement of Bax from the cytosol to mitochondria during apoptosis. J Cell Biol 1997;139:1281-92. 38. Kirkland RA, Franklin JL. Evidence for redox regulation of cytochrome C release during programmed neuronal death: antioxidant effects of protein synthesis and caspase inhibition. J Neurosci 2001;21:1949-63. 39. Levine AJ. p53, the cellular gatekeeper for growth and division. Cell 1997; 88:323-31. 40. Polyak K, Xia Y, Zweier JL, Kinzler KW, Vogelstein B. A model for p53- induced apoptosis. Nature 1997;389:300-5. 41. Sablina AA, Budanov AV, Ilyinskaya GV, Agapova LS, Kravchenko JE, Chumakov PM. The antioxidant function of the p53 tumor suppressor. Nat Med 2005;11:1306-13. 42. Martindale JL, Holbrook NJ. Cellular response to oxidative stress: signaling for suicide and survival. J Cell Physiol 2002;192:1-15. 43. Szatrowski TP, Nathan CF. Production of large amounts of hydrogen per- http://www.e-hmr.org 95
HMR Young Do Yoo Mitochondrial ROS Production by Romo1 oxide by human tumor cells. Cancer Res 1991;51:794-8. 44. Laurent A, Nicco C, Chereau C, Goulvestre C, Alexandre J, Alves A, et al. Controlling tumor growth by modulating endogenous production of reactive oxygen species. Cancer Res 2005;65:948-56. 45. Mori K, Shibanuma M, Nose K. Invasive potential induced under longterm oxidative stress in mammary epithelial cells. Cancer Res 2004;64: 7464-72. 46. Correia SC, Santos RX, Perry G, Zhu X, Moreira PI, Smith MA. Mitochondrial importance in Alzheimer s, Huntington s and Parkinson s diseases. Adv Exp Med Biol 2012;724:205-21. 47. Madamanchi NR, Runge MS. Mitochondrial dysfunction in atherosclerosis. Circ Res 2007;100:460-73. 48. Shakibaei M, Schulze-Tanzil G, Takada Y, Aggarwal BB. Redox regulation of apoptosis by members of the TNF superfamily. Antioxid Redox Signal 2005;7:482-96. 49. Schulze-Osthoff K, Bakker AC, Vanhaesebroeck B, Beyaert R, Jacob WA, Fiers W. Cytotoxic activity of tumor necrosis factor is mediated by early damage of mitochondrial functions. Evidence for the involvement of mitochondrial radical generation. J Biol Chem 1992;267:5317-23. 50. Fiers W, Beyaert R, Declercq W, Vandenabeele P. More than one way to die: apoptosis, necrosis and reactive oxygen damage. Oncogene 1999;18: 7719-30. 96 http://www.e-hmr.org