Assessment of hierarchical Oxidative Stress in Airway Epithelial Cells by Ultrafine Particulate matter treatment

Abstract

일반적으로 초미세먼지는 2.5㎛ 이하의 미세 먼지를 말하며, 공장의 연기, 자동차의 배기 가스 및 담배의 연기에 함유되어있다. 따라서 사람들은 초미세먼지에 쉽고 자주 노출 될 수 있으며, 이로 인한 질병도 최근 증가하고 있다. 일반적으로 초미세먼지에 대한 만성적인 노출은 뇌, 대사 및 신경 장애와 관련이 있다. 가장 직접적인 영향을 받는 기관은 호흡기다. 초미세먼지의 노출 농도와 노출 시간에 따라 호흡기 질환이 유발 될 수 있으며 이미 존재하는 질병이 악화 될 수 있다. 초미세먼지에 가장 먼저 노출되는 기관은 폐기도 세포의 표피 세포이다. 초미세먼지가 폐 -기도 상피 세포에 노출되면 표피 세포 내부에 산화 스트레스가 유발되고 축적 된 산화 스트레스로 인해 표피 세포가 점진적으로 영향을 받는다. 단계적인 산화스트레스의 정도에 따라 Unfolded 단백질은 표피 세포 내부의 ER에 축적된다. 축적 된 Unfolded 단백질로 인한 ER 스트레스는 곧 다양한 세포 신호 전달 경로를 활성화시킨다. 여기에서 우리는 초미세먼지에 의해 자극 된 폐기도 상피 세포에서 단계적 ER stress와 관련된 UPR (Unfolded Protein Response) 경로 메커니즘을 확인하고자 한다. UPR 경로는 크게 세 개의 막 단백질 (ATF6, IRE1a 및 PERK)에 의해 조절되며 각 하류 단백질 (ATF4, XBP1s/u 및 EIF2a)의 상호 작용에 의해 세포의 운명을 결정한다. 폐 기도세포의 표피 세포 자극 용도로 초미세먼지의 일종으로 TiO₂를 선정하고 단계적 ER stress의 변화를 확인하기 위해 TiO₂의 처리 농도와 처리 시간을 조정 하였다. 그 결과, TiO₂의 처리 농도 및 처리 시간에 따라 활성화 되는 UPR pathway 단백질이 다른 것으로 확인되었다.; In general, ultrafine dust refers to fine dust of a size smaller than 2.5㎛ and is contained in the smoke of the factory, the exhaust gas of automobiles, and the smoke of cigarettes. Therefore, people can easily and often be exposed to ultrafine dust, and diseases caused by them are also increasing recently. Typically, chronic exposure to ultrafine dust is associated with brain, metabolic, and neurological disorders. The most directly affected organ is the respiratory system. Depending on the concentration and time of the ultrafine dust, the respiratory disease may be induced and the already existing disease may be exacerbated. The first exposure to ultrafine dust is the epidermal cells of lung-airway cells. When ultrafine dust is exposed to lung-airway epidermal cells, oxidative stress is induced inside the epidermal cells, and epidermal cells undergo gradual changes due to accumulated oxidative stress. Unfolded protein accumulates in the ER inside the epidermal cells as the stepwise change occurs. ER stress due to accumulated unfolded protein soon activates various cellular signaling pathways. Here, we identify phased ER stresses and associated UPR (Unfolded Protein Response) pathway mechanisms in pulmonary airway epithelial cells stimulated by ultrafine dust. The UPR pathway is largely regulated by three membrane proteins (ATF6, IRE1a, and PERK) and determines the fate of cells by the interaction of each downstream protein (ATF4, XBP1s/u, and EIF2a). We selected TiO₂ as a kind of ultrafine dust to stimulate pulmonary-airway epidermal cells, and adjusted the treatment concentration and the treatment time of TiO₂ in order to confirm the change of the stepwise ER stress. As a result, it was confirmed that the UPR pathway protein was different depending on the treatment concentration and treatment time of TiO₂.