Protective effects of melatonin on high-cholesterol-induced apoptosis of mesenchymal stem cells

Abstract

High cholesterol levels of patients with obesity are associated with insufficient efficacy of transplantation therapy using umbilical cord blood-derived mesenchymal stem cells (UCB-MSCs). Further, the regulation of intracellular cholesterol levels is important for reducing apoptosis of engrafted donor stem cells. The endogenous hormone melatonin contributes to the prevention of cholesterol accumulation in patients with obesity through a poorly understood mechanism. Therefore, this study investigated the regulatory mechanism of melatonin that inhibits cholesterol-induced apoptosis in vitro and in vivo. Melatonin increased the expression of ATP-binding cassette subfamily A member 1 (ABCA1) in UCB-MSCs, which reduced cholesterol accumulation and cholesterol-induced apoptosis. In addition, pretreatment with disodium 4,4′-diisothiocyanatostilbene-2,2′-disulfonate (DIDS), an ABCA1 inhibitor, diminished these effects. Skin wound healing to show that melatonin treatment restored the survival rate of transplanted UCB-MSCs and wound-healing capacity, which was lowered in high-fat-diet-induced obese mice. In the presence of high concentrations of cholesterol, melatonin receptor 2 (MT2) level increased, and melatonin treatment inhibited the expression of binding immunoglobulin protein (BiP) through regulation of the MT2/Sp1-dependent microRNA-597. Melatonin decreased co-localization of BiP with nuclear factor erythroid 2-related factor 1 (NRF1), which is required for the translocation of NRF1. Inhibition of the nuclear translocation of NRF1 increased ABCA1 expression and cholesterol efflux and inhibited apoptosis in the presence of high cholesterol concentrations. In conclusion, these findings indicate that melatonin induced the efflux of intracellular cholesterol through ABCA1 to decrease the apoptosis of UCB-MSCs in the presence of high cholesterol concentrations through an MT2-dependent BiP/NRF1 pathway.

제대혈 유래 중간엽 줄기세포 이식치료는 조직 재생을 촉진하기 위해 사용되고 있으며, 비만 환자에서 나타나는 이식치료 효율 저하는 고콜레스테롤 환경과 연관이 있다. 또한 세포 내 콜레스테롤 조절은 이식세포의 세포자멸사를 줄이는데 중요하다. 내분비 호르몬인 멜라토닌은 콜레스테롤 수준을 조절하는 것으로 보고되었으나 그 기전은 잘 알려져있지 않다. 따라서 이 연구는 멜라토닌의 콜레스테롤 유도성 세포사멸사 조절 기전을 규명하기 위해 수행되었다. 멜라토닌의 처리는 줄기세포의 콜레스테롤 수송단백질인 ABCA1 (ATP-binding cassette subfamily A member 1)의 발현을 증가시켜 세포 내 콜레스테롤 축적과 세포사멸을 감소시켰으며, ABCA1의 억제제 처리를 통해 멜라토닌의 보호효과가 ABCA1에 의한 것임을 확인하였다. 또한, 피부상처회복 모델을 이용하여 멜라토닌의 처리가 비만쥐에서 나타나는 줄기세포 이식효율 감소를 정상화하는 것을 확인하였다. 고콜레스테롤 상황에서 줄기세포의 멜라토닌 수용체인 MT2의 발현이 증가하였고, 멜라토닌의 처리는 Sp1 전사인자를 통한 microRNA-597-5p의 발현 증가로 표적 단백질인 BiP (binding immunoglobulin protein)의 발현을 감소시켰다. 멜라토닌의 처리는 NRF1 (nuclear factor erythroid 2-related factor 1)의 핵내 이동에 필요한 BiP과 NRF1의 결합을 감소시켰으며, 이로 인한 NRF1의 핵내 이동 억제는 ABCA1 발현과 세포 내 콜레스테롤 배출을 증가시켜 고콜레스테롤에 의한 세포자멸사를 억제하였다. 결론적으로 멜라토닌은 MT2/BiP/NRF1 경로를 통해 ABCA1에 의한 세포내 콜레스테롤 배출을 증가시켜 고콜레스테롤에 의한 중간엽줄기세포의 세포자멸사를 감소시킨다.