A study on antioxidant effects of nobiletin in neurons by regulating electron transport chain of mitochondria

Abstract

미토콘드리아는 세포 사멸과 밀접하게 관련되어 있는 신호전달 기전들을 수행하 며, 미토콘드리아 내막에 존재하는 전자전달계를 통해 세포 생존에 중요한 에너지 원인 ATP를 만들어낸다. 전자전달계는 I~V까지의 총 5개의 단백질 복합체로 구성되 어 각각의 복합체에서 연달아 전자를 전달하는 과정을 통해 ATP를 생산한다. 이 과 정은 전자가 전달되는 과정에서 수소이온을 배출해 생성된 막전위(membrane potential) 차를 이용하여 ADP을 ATP로 만들어 주는 산화적 인산화과정(Oxidative phosphorylation)을 형성함으로써 우리 몸에 필요한 에너지원인 ATP 생성 과정을 완 성한다. 또한, 전자전달계의 Complex I과 Ⅲ은 생리학적 및 병리학적 상황에서 reactive oxygen species (ROS) 생성의 주공급원의 하나로 알려져 있는데 미토콘드리아 의 과도한 활성산소 생성 및 많은 양의 칼슘유입은 신경퇴행성질환의 발병 원인과 밀접한 관련이 있는 것으로 알려져 있다. 따라서 미토콘드리아 전자전달계 Complex I 조절을 통한 신경 보호 기전을 밝히는 것은 신경세포 생존 및 사멸을 결정하는 중요한 기전의 일부가 될 가능성이 있으며, 미토콘드리아 Complex I 조절을 통하여 미토콘드리아 신호전달을 조절할 수 있다면 퇴행성 뇌질환과 심혈관 질환 및 대사 질환에서 다양한 질병치료에 응용할 수 있을 것으로 예상된다. 본 연구에서는, primary cortical neuron과 Sprague-Dawley (SD) 흰 쥐의 대뇌피질로부터 분리한 순수한 미토콘드리아에서 Complex I의 억제제로 알려진 로테논(rotenone)이 작용했을 때 발 생한 활성산소 독성을 노빌레틴(nobiletin) 처리를 통해 조절함으로써 신경독성 활성 을 줄이고 세포사멸에 있어 신경세포 보호효과를 나타내는지 연구하였다. 연구결과 에서, 노빌레틴이 primary cortical neuron에서 미토콘드리아 ETC Complex I 억제제 로테논에 의해 유도된 신경독성을 감소시키는 보호작용을 유도했는데, 노빌레틴이 로테논에 의해 유도된 미토콘드리아 ROS를 유의하게 줄이고 세포 생존능력을 증가 시켰다. 이러한 결과는 이전에 보고된 K +채널 조절을 통한 노빌레틴의 신경보호 효 과와 같은 결과를 보여주는 것이다. 또한, 본 연구에서는, 노빌레틴이 직접 농도의 존적으로 ATP 생산뿐만 아니라 Complex I 활성을 증가시키는 효과가 있다는 것도 확인하였다. 이와는 대조적으로, 노빌레틴은 Complex III 억제제인 안티마이신 에이 (antimycin A) 를 처리한 흰쥐의 primary cortical neurons과 순수하게 분리된 미토콘드리아에서 ROS 양을 감소시키거나 세포의 생존율을 증가시키는 효과는 나타내지 못하였다. 노빌레틴은 HT-22 신경세포에서 Nuclear factor erythroid 2-related factor 2 (Nrf-2)와 Heme oxygenase-1 (HO-1)의 발현양을 증가시켜, 직접 항산화 신호전달을 조절할 가능성도 있었으며, 이러한 결과는 노빌레틴이 전자전달계 Complex I 억제와 관련된 미토콘드리아 기능장애를 예방할 수 있는 효과가 있고, 그 효과가 항산화 신호전달과도 관련성이 있음을 의미한다. 결론적으로, 본 연구는 노빌레틴이 전자전달계 Complex I 대사기능 조절을 통해 퇴행성 신경질환과 신경염증 등의 발병에 있어 효과적인 신경보호제로서 사용될 수 있음을 의미한다.

Mitochondrial electron transport chain (ETC) is the major source of reactive oxygen species (ROS) in both physiological and pathological conditions. Particularly, mitochondrial calcium overload and subsequent excessive generation of ROS are critical factors in the pathological conditions of neurons. High level of mitochondrial ROS also is the primary cause of macromolecular damage in neurons. It is well known that mitochondria have eleven separate ROS production sites. Among them, complex I (CI) and complex III (CIII) are dominant sites for mitochondrial ROS production. Therefore, neuroprotective mechanisms correlatd with the regulation of mitochondrial ETC CI may also play an important role to determine neuronal survival rates. Nobiletin, a polymethoxylated flavone from Citrus sunki Hort. ex Tanaka, significantly protected primary cortical neurons against neurotoxicity induced by rotenone, the mitochondrial ETC CI inhibitor. It has already been reported that nobiletin showed a neuroprotective effect through K+ channel regulation in our previous study. Additional to those data, nobiletin significantly reduced rotenone-induced mitochondrial ROS and increased cell viability. In contrast, nobiletin did not show any effects to reduce ROS elevation in pure isolated mitochondria or to increase the survival rate of primary cortical neurons of Sprague-Dawley (SD) rats under the treatment of antimycine A, a CIII inhibitor. The effects of nobiletin to increase CI activity as well as ATP production were dose-dependent. These results indicate that nobiletin can prevent mitochondrial dysfunction especially correlated with the inhibition of ETC CI, although the action mechanism should be addressed in further studies. Taken together, this study strongly suggests a possibility that nobiletin may be a promising neuroprotective agent against neurodegenerative diseases and neuroinflammation, regulating mitochondrial K+ channels as well as their metabolic functions specific to ETC CI.