Resveratrol Ameliorates NMDA-induced Mitochondrial Injury by Enhanced Expression of Heme Oxygenase-1 in HT-22 Neuronal Cells

N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptors have received considerable attention regarding their involvement in glutamate-induced neuronal excitotoxicity. Resveratrol has been shown to exhibit neuroprotective effects against this kind of overactivation, but the underlying cellular mechanisms are not yet clearly understood. In this study, HT-22 neuronal cells were treated with NMDA in Mg²⁺-free buffer and subsequently used as an experimental model of glutamate excitotoxicity to elucidate the mechanisms of resveratrol-induced neuroprotection. We found that NMDA treatment causes a drop in MTT reduction ability, disrupts inside-negative transmembrane potential of mitochondria, depletes cellular ATP levels, and stimulates intracellular ROS production. Double fluorescence imaging studies demonstrated an increased formation of mitochondrial permeability transition (MPT) pores accompanied by apoptotic cell death, while cobalt protoporphyrin and bilirubin showed protective effects against NMDA-induced mitochondrial injury. On the other hand, zinc protoporphyrin IX significantly attenuated the protective effects of resveratrol which was itself shown to enhance heme oxygenase-1 (HO-1) mRNA and protein expression levels. In cells transfected with HO-1 small interfering RNA, resveratrol failed to suppress the NMDA-induced effects on MTT reduction ability and MPT pore formation. The present study suggests that resveratrol may prevent mitochondrial injury in NMDA- treated HT-22 cells and that enhanced expression of HO-1 is involved in the underlying cellular mechanism.

NMDA를 처리한 HT-22 신경세포에서 미토콘드리아 손상을 완화하는 레스베라트롤의 보호 효과와 헴 산화효소-1의 역할

뇌 등 신경 조직에서 흥분성 신경전달물질의 일종인 글루탐산(glutamate)에 의해 유도되는 신경세포 독성에 N-methyl-D-aspartate (NMDA) 수용체가 중요하게 관여함은 잘 알려져 있다. 레스베라트롤(resveratrol)은 자연식품에서 얻어지는 가장 잘 알려진 폴리페놀(polyphenol)의 일종으로 글루탐산에 의해 유도되는 신경세포 독성을 완화하는 효과가 있는 것으로 보고되었으나 그 기전은 명확히 밝혀져 있지 않다. 본 연구에서는 NMDA를 처리한 HT-22 신경세포를 신경세포 독성 모델로 이용하여 미토콘드리아 손상에 미치는 레스베라트롤의 보호 효과와 그 기전을 연구하고자 하였다. NMDA를 처리한 HT-22 신경세포에서 MTT 환원능의 감소와 미토콘드리아 막전위의 소실, 세포 내 ATP 농도의 감소, 활성산소종 생성의 증가, 미토콘드리아 막 투과성의 증가(mitochondrial permeability transition) 등 미토콘드리아의 기능적, 형태학적 손상을 시사하는 지표 변화들이 관찰되었다. 또한 미토콘드리아 손상의 결과로 세포사멸(apoptosis)이 증가함도 확인하였다. 레스베라트롤은 NMDA에 의한 미토콘드리아 손상과 세포사멸을 현저히 방지하는 보호 효과를 보였다. 헴 산화효소-1(heme oxygenase-1) 활성 억제제인 아연 프로토포르피린-9(zinc protoporphyrin IX)을 전처리한 세포에서는 레스베라트롤의 보호 효과가 현저히 약화되었으며, 반면에 heme oxygenase-1 활성 촉진제인 코발트 프로토포르피린(cobalt protoporphyrin)과 빌리루빈(bilirubin)은 레스베라트롤과 유사한 보호 효과를 나타내었다. 실시간 정량중합효소연쇄반응(RT-qPCR) 검사와, 웨스턴 블롯(Western blot) 검사로 확인한 결과 레스베라트롤은 헴 산화효소-1의 mRNA와 단백 발현을 증가시킴을 확인할 수 있었다. 짧은 간섭 RNA (small interfering RNA)를 형질주입(transfection)하여 헴 산화효소-1의 발현을 일시적으로 차단(knock down)한 세포에서는 레스베라트롤의 보호 효과가 관찰되지 않았다. 이상의 결과를 종합하면 레스베라트롤은 NMDA를 처리한 HT-22 신경세포에서 미토콘드리아의 기능적, 형태학적 손상을 완화하여 신경세포 독성에 대한 보호 효과를 나타내며 그 기전에는 헴 산화효소-1의 발현 증가가 중요하게 작용함을 시사한다.