Oxidative Inactivation of Peroxiredoxin Isoforms by H2O2 in Pulmonary Epithelial, Macrophage, and other Cell Lines with their Subsequent Regeneration

Background : Peroxiredoxins (Prxs) are a relatively newly recognized, novel family of peroxidases that reduce $H_2O_2$ and alkylhydroperoxide into water and alcohol, respectively. There are 6 known isoforms of Prxs present in human cells. Normally, Prxs exist in a head-to-tail homodimeric state in a reduced form. However, in the presence of excess $H_2O_2$, it can be oxidized on its catalytically active cysteine site into inactive oxidized forms. This study surveyed the types of the Prx isoforms present in the pulmonary epithelial, macrophage, endothelial, and other cell lines and observed their response to oxidative stress. Methods : This study examined the effect of exogenous, excess $H_2O_2$ on the Prxs of established cell lines originating from the pulmonary epithelium, macrophages, and other cell lines, which are known to be exposed to high oxygen partial pressures or are believed to be subject to frequent oxidative stress, using non-reducing SDS polyacrylamide electrophoresis (PAGE) and 2 dimensional electrophoresis. Result : The addition of excess $H_2O_2$ to the culture media of the various cell-lines caused the immediate inactivation of Prxs, as evidenced by their inability to form dimers by a disulfide cross linkage. This was detected as a subsequent shift to its monomeric forms on the non-reducing SDS PAGE. These findings were further confirmed by 2 dimensional electrophoresis and immunoblot analysis by a shift toward a more acidic isoelectric point (pI). However, the subsequent reappearance of the dimeric Prxs with a comparable, corresponding decrease in the monomeric bands was noted on the non-reducing SDS PAGE as early as 30 minutes after the $H_2O_2$ treatment suggesting regeneration after oxidation. The regenerated dimers can again be converted to the inactivated form by a repeated $H_2O_2$ treatment, indicating that the protein is still catalytically active. The recovery of Prxs to the original dimeric state was not inhibited by a pre-treatment with cycloheximide, nor by a pretreatment with inhibitors of protein synthesis, which suggests that the reappearance of dimers occurs via a regeneration process rather than via the de novo synthesis of the active protein. Conclusion : The cells, in general, appeared to be equipped with an established system for regenerating inactivated Prxs, and this system may function as a molecular "on-off switch" in various oxidative signal transduction processes. The same mechanisms might applicable other proteins associated with signal transduction where the active catalytic site cysteines exist.

폐포상피세포, 대식세포를 비롯한 각종 세포주에서 H2O2에 의한 Peroxiredoxin 동위효소들의 산화에 따른 불활성화와 재생

배 경 : peroxiredoxins는 거의 모든 생명체에 공통적으로 보존되어 있으며, 최근에 발견된, 특이한 peroxidases로 인체에서 6가지 동위효소가 알려져 있으며, 산화스트레스에 대한 방어역할을 담당하고, $H_2O_2$신호전달 과정에서 중요한 조절 역할을 한다. peroxiredoxin은 $H_2O_2$ 처리 과정 중에서 자신이 산화되어 불활성화 되는데, 산화된 후 다시 재생되는 것으로 보고되나 그 생리적은 의미는 분명하지 않다. 이에 저자들을 폐상 피세포주, 대식세포주, 폐포모세혈관 내피세포주 및 기타 섬유모세포주 들에서 $H_2O_2$ 에 의한 Prx의 산화과정과 재생을 알아보고자 하였다. 방 법 : 수술 환자에서 적출한 정상 폐조직과, 세포주로는 평상시 산화 스트레스에 노출이 많을 것으로 예상되는 세포들로써, 폐포상피세포의 I 형 및 II 형 세포에서 기원한 A549, WI 26, Raw 264.7, Rat2,및 폐포 모세혈관 내피세포주 등을 이용하여 이를 $50{\mu}M$. $100{\mu}M$, $500{\mu}M$ 의 $H_2O_2$로 산화시켜 불활성화 한 후, 추적관찰 하였으며, 시간대 별로(0. 10, 30, 60, 120, 240, 480 분) 수확하여, 이를 1차원 non-reducing SDS-PAGE 및 2차원 전기영동로 분리 후, silver stain 과 Western blot으로 분석 하였다. 결 과 : 1. 실험에 사용된 모든 세포주에서, $H_2O_2$ 농도에 비례하여 peroxiredoxin I, II, III 의 불활성화를 관찰할 수 있었고, 10분에 최고로 불활성화되었다. 2. 산화된 이후, 30분경부터 peroxiredoxin 의 재생이 관찰되기 시작 하였으며, 2시간 이후부터 확연하였다. 3. 다시 재생된 peroxiredoxin은 $H_2O_2$투여로서, 다시 불활성화되어, 재생된 Prx 가 활성을 지닌 단백질임을 알 수 있었다. 4. 재생의 속도는 사용된 세포주마다 차이가 있었으며 (A549 >Raw 264.7 >$Rat_2$ >WI26), 단백질 합성억제제인 cycloheximide ($10{\mu}g/ml$) 존재 하에서도 변함 없이 관찰되었다. 결 론 : 세포 내에는 산화되어 불활성화된 peroxiredoxin을 재생하는 체계가 존재 하며, 이는 활성부위 cysteine을 갖는 다른 단백질에도 공통적으로 적용될 수 있는 분자 스위치일 가능성이 높으며, 산화에 의한 신호전달과정이나, 질병 모델에서 Prx 단백의 재생 체계의 이상과 병인에 관한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.