생쥐 착상전 배아에서 산화적 스트레스에 의한 ATF4 유전자의 발현과 존재 부위

Expression and Localization of ATF4 Gene on Oxidative Stress in Preimplantation Mouse Embryo

세포의 대사과정에서 생성되는 활성산소종(reactive oxygen species : ROS)은 세포의 성숙과 발생 과정을 저해하며, 인간의 생식 수관에서 불임의 원인이 된다. 많은 세포생물학적 연구를 통해 ROS에 대한 세포 내의 보호 기작이 밝혀지고 있다. Activating transcription factor 4(ATF4)는 세포 내에서 산화적 스트레스를 비롯한 여러 스트레스 요인으로부터 세포를 보호하는 기작에 관여하는 중요한 인자로서, 스트레스에 의한 세포 사멸을 유도하는 유전자의 활성화와 관련이 있다고 알려져 있다. 본 연구에서는 착상 전 초기 배아의 발생 단계에서 ROS에 의한 산화적 스트레스가 배아의 발생에 영향을 준다는 보고와 관련하여 생쥐 초기배아에 산화적 스트레스 요인인 $H_2O_2$(hydrogen peroxide)를 처리한 후 ATF4 유전자의 발현 변화를 추적하였으며, ROS 방어에 관여하는 SOD1 유전자와 apoptosis 유전자인 Bax의 발현 양상을 함께 비교하였다. 또한 면역형광염색법을 이용하여 착상전 초기배아의 ATF4 단백질 발현 부위를 조사하였다. $H_2O_2$를 0.1 mM 농도로 처리한 2-세포기 배아에서는 처리 8시간 후인 4-세포기 단계부터 발생율이 감소하기 시작하였으며, 0.5 mM과 1.0 mM 농도에서는 배아의 발생이 진행되지 않았다. RT-PCR결과 SOD1 유전자의 발현은 $H_2O_2$를 처리한 모든 그룹에서 처리 1시간째인 2-세포기 배아단계에서 대조군보다 증가하였으며, ATF4 유전자 역시 2-세포기 배아단계에서 발현이 증가하였다. Bax 유전자도 통일한 시기에 발현이 증가하였다. ATF4 단백질의 배아 세포 내 발현부위는 스트레스 방어 기작이 주로 일어나는 세포질에서 많이 발현이 되었으며 포배기 배아에서는 내세포괴(inner cell mass)부위 보다는 영양외배엽(trophectoderm)에서 발현됨을 확인하였다. 2-세포기 배아에서 ATF4 immunoreactivity는 모든 $H_2O_2$농도 처리군에서 대조군보다 증가하였다. 이상의 결과에서, 착상 전 초기 배아에서 ROS에 의해 ATF4 발현이 유도됨을 확인하였다. 따라서 산화적 스트레스에 대해 배아를 보호하기 위한 방어 기작에 ATF4가 관여하는 것으로 사료되며, 세포 사멸 유전자의 발현과도 밀접한 관련이 있는 것으로 사료된다.

Reactive oxygen species(ROS) generated in cellular metabolism have an effect on cell maturation and development. In human reproductive tract, oxidative injury by ROS may induce female infertility. Also, oxidative injury may be responsible for developmental retardation and arrest of mammalian preimplantation embryos. Activating transcription factor 4(ATF4) is a member of the cyclic-AMP response element-binding(CREB) familiy of basic region- leucine zipper(bZip). ATF4 is known to regulate stress response to protect cell from various stress factors and inducer of apoptisis. The purpose of this study was to investigate whether ATF4 is involved in the defensive mechanism in oxidative stress condition during the development of mouse preimplantation embryos. To verify the expression of ATF4 in oxidative stress condition, 2-cell stage embryos were cultured in HTF media containing 0.1mM, 0.5mM or 1mM hydrogen peroxide($H_2O_2$) for 1hr(2-cell), 8hr(4-cell), 17hr(8-cell), 24hr(morula), 48hr(early blastocyst) or 64hr(late blastocyst). The developmental rate decreased in the 0.1mM $H_2O_2$ treated group compared with control group. In embryos treated with 0.5mM and 1mM $H_2O_2$ showed 2-cell block. As a results of the semi-quantitative RT-PCR analysis of SOD1, ATF4 and Bax gene expression, SOD1, ATF4 and Bax genes were increased in 0.1mM, 0.5mM, 1mM $H_2O_2$ treated groups compared with control group. In 2-cell embryos, expression of SOD1, ATF4 and Bax genes were notably increased in 0.1mM, 0.5mM, 1mM $H_2O_2$ treated groups compared with control group. Immunofluorescence analysis showed that ATF4 protein was localized at the cytoplasm of preimplantation embryos. The increase in ATF4 immunoreactivety was observed in the 0.1mM, 0.5mM, 1mM $H_2O_2$ treated groups compared with control group. It suggests that oxidative stress by $H_2O_2$ induces expression of ATF4 and may be involved in protection mechanism in preimplantation embryos from oxidative injury.