Role of Oxygen Free Radical in the Expression of Interleukin-8 and Interleukin-$1{\beta}$ Gene in Mononuclear Phagocytic Cells

내독소에 의한 말초혈액 단핵구의 IL-8 및 IL-$1{\beta}$ 유전자 발현에서 산소기 역할에 관한 연구

Background: Oxygen free radicals have generally been considered as cytotoxic agents. On the other hand, recent results suggest that small nontoxic amounts of these radicals may act a role in intracellular signal transduction pathway and many efforts to reveal the role of these radicals as secondary messengers have been made. It is evident that the oxygen radicals are released by various cell types in response to extracellular stimuli including LPS, TNF, IL-1 and phorbol esters, all of which translocate the transcription factor $NF{\kappa}B$ from cytoplasm to nucleus by releasing an inhibitory protein subunit, $I{\kappa}B$. Activation of $NF{\kappa}B$ is mimicked by exposure to mild oxidant stress, and inhibited by agents that remove oxygen radicals. It means the cytoplasmic form of the inducible tanscription factor $NF{\kappa}B$ might provide a physiologically important target for oxygen radicals. At the same time, it is well known that LPS induces the release of oxygen radicals in neutrophil with the activation of $NF{\kappa}B$. From above facts, we can assume the expression of IL-8 and IL-$1{\beta}$ gene by LPS stimulation may occur through the activation of $NF{\kappa}B$, which is mediated through the release of $I{\kappa}B$ by increasing amounts of oxygen radicals. But definitive evidence is lacking about the role of oxygen free radicals in the expression of IL-8 and IL-$1{\beta}$ gene in mononuclear phagocytic cells. We conducted a study to determine whether oxygen radicals act a role in the expression of IL-8 and IL-$1{\beta}$ gene in mononuclear phagocytic cells. Method: Human peripheral blood monocytes were isolated from healthy volunteers. Time and dose relationship of $H_2O_2$-induced IL-8 and IL-$1{\beta}$ mRNA expression was observed by Northern blot analysis. To evaluate the role of oxygen radicals in the expression of IL-8 and IL-$1{\beta}$ mRNA by LPS stimulation, pretreatment of various antioxiants including PDTC, TMTU, NAC, ME, Desferrioxamine were done and Northern blot analysis for IL-8 and IL-$1{\beta}$ mRNA was performed. Results: In PBMC, dose and time dependent expression of IL-8 and IL-$1{\beta}$ mRNA by exogenous $H_2O_2$ was not observed. But various antioxidants suppressed the expression of LPS-induced IL-8 and IL-$1{\beta}$ mRNA expression of PBMC and the suppressive activity was most prominant when the pretreatment was done with TMTU. Conclusion: Oxygen free radical may have some role in the expression of IL-8 and IL-$1{\beta}$ mRNA of PBMC but that radical might not be $H_2O_2$.

연구배경: 산소기의 작용은 과거에는 세포독성이 주로 알려져 있었던 반면, 최근 들어 산소기의 세포내 신호전달체계에서의 역할에 많은 사람의 관심이 모이고 있다. 여러 cytokine의 전사인자(transcription factor)로 작용하는 $NF{\kappa}B$는 기저상태에서는 세포질에 존재하는데 $I{\kappa}B$와 결합되어 핵내로의 이동이 억제되고 있다. 여러 연구에 의해 $NF{\kappa}B$의 $I{\kappa}B$로부터의 분리는 외부자극에 의해 생성된 산소기에 의한 것으로 알려졌는데, 이렇게 하여 분리된 $NF{\kappa}B$가 핵내로 이동하면 핵내에서 전사인자로 작용하여 여러 유전자의 전사를 증가시키는 것이 보고되었다. IL-8 유전자는 5'flanking promotor region에 $NF{\kappa}B$-like motif가 있어 핵내 $NF{\kappa}B$ activity의 증가로 IL-8 유전자의 전사가 증가되는 것으로 알려졌고, 또한 내독소는 핵내의 $NF{\kappa}B$ activity의 증가와 함께 호중구에서의 산소기의 분비를 가져온다. 이러한 사실로부터 내독소에 의한 IL-8 유전자의 발현은 세포내에서 생성된 산소기에 의해 $NF{\kappa}B$가 $I{\kappa}B$로부터 분리되어 핵내로 이동하고 이로 인해 IL-8 유전자의 전사가 증가되는 가설을 생각할 수 있다. 저자들은 이러한 가설 검정의 첫번째 단계로써 체내 염증반응에서 중요한 역할을 하는 말초혈액 단핵구의 IL-8 및 IL-$1{\beta}$ 유전자 발현에 세포내의 산소기가 관여하는지의 여부를 평가하고자 본 연구를 시행하였다. 방법: Ficoll-Hypaque density gradient 법과 plastic 부착법을 이용하여 말초혈액 단핵구를 분리하였다. 외부에서 투여한 산소기의 농도에 따른 IL-8 및 IL-$1{\beta}$ mRNA 발현의 유무를 관찰하기 위하여 $H_2O_2$를 0, 10, 100, $300{\mu}M/L$, 1mM/L의 농도로 투여하고 6시간이 경과한후 IL-8 및 IL-$1{\beta}$에 대한 Northern blot analysis를 시행하였다. 시간에 따른 IL-8 및 IL-$1{\beta}$ mRNA 변화를 관찰하고자 $H_2O_2$를 $100{\mu}M/L$의 농도로 투여하고 0, 2, 4, 6, 8, 24시간이 경과한 후 Northern blot analysis를 시행하였다. 항산화제가 내독소에 의한 IL-8과 IL-$1{\beta}$ mRNA 발현에 미치는 영향을 평가하기 위하여 TMTU(10 mM/L) 1시간; PDTC($100{\mu}M/L$) 1시간, NAC(10 mM/L) 2.5시간, ME(10mM/(L) 2.5시간, Desferrioxamine(100mM/L) 15시간 동안 전처치 한 디음 내독소를 투여허여 4시간이 경과한 후 IL-8 및 IL-$1{\beta}$ mRNA에 대한 Northern blot analysis를 시행하였다. 결과: $H_2O_2$농도 및 시간에 따른 말초혈액 단핵구에서의 IL-8 및 IL-$1{\beta}$ mRNA의 발현에는 유의한 차이가 관찰되지 않았지만 항산화제로 전처치하였을 때 내독소에 의한 말초혈액 단핵구에서의 IL-8 및 IL-$1{\beta}$ mRNA의 발현이 억제되었고 그 억제정도는 TMTU에서 가장 현저하였다. 결론: 이상의 결과에서 말초혈액 단핵구에서의 IL-8 및 IL-$1{\beta}$ mRNA 발현에 $H_2O_2$가 아닌 다른 산소기가 일부 관여할 것으로 생각된다.