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Betaine의 mTOR 비의존적 자가포식 작용 촉진에 의한 표피 분화 유도 효과
Betaine Induces Epidermal Differentiation by Enhancement of Autophagy through an mTOR-independent Pathway 원문보기

大韓化粧品學會誌 = Journal of the society of cosmetic scientists of Korea, v.44 no.1, 2018년, pp.95 - 101  

최선국 ((주)LG생활건강 기술연구원) ,  김미선 ((주)LG생활건강 기술연구원) ,  김진현 ((주)LG생활건강 기술연구원) ,  박선규 ((주)LG생활건강 기술연구원) ,  이천구 ((주)LG생활건강 기술연구원) ,  강내규 ((주)LG생활건강 기술연구원)

초록
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표피는 각질형성세포의 분화로부터 재생되어 계층화되는 상피 조직으로서 물리적 장벽을 형성함으로써 다양한 외부 오염원으로부터 개체를 보호한다. 자가포식 작용(autophagy)은 단백질 축적물, 손상된 세포 소기관, 세포내 미생물 등이 리소좀으로 운반되고 분해되도록 매개하는 기작이다. 최근 연구 결과에 의하면 자가포식 작용이 각질형성세포의 대사 기관과 핵을 제거하여 각질층으로 최종 분화하는데 중요한 역할을 하는 것이 보고 되었다. 그러나 자가포식 작용을 촉진함으로써 표피 분화를 유도할 수 있는지는 알려져 있지 않다. 본 연구에서는 천연물 유래 단일 화합물 라이브러리를 스크리닝하여 베타인(betaine)이 인간 각질형성세포주인 HaCaT 세포에서 세포질 내 LC3 punctate 소포체 및 LC3-I에서 LC3-II로의 변환을 증가시켜 자가포식 작용을 촉진함을 규명했다. 자가포식 작용의 억제 신호인 mTOR 경로는 베타인에 의해 영향을 받지 않았으므로, 베타인에 의해 유도된 자가포식 작용은 mTOR에 독립적임을 알 수 있었다. 베타인에 의해 촉진되는 자가포식 작용은 primary keratinocyte 및 skin equivalent에서도 관찰되었다. 또한, 베타인 처리된 인공피부에서 표피층 두께가 증가함을 확인하였다. 이러한 결과들로부터, 자가포식 작용의 새로운 조절소재로서 베타인이 표피의 턴오버를 촉진하여 표피의 장벽기능을 개선하고 피부노화를 방지할 수 있음을 시사한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The epidermis which is stratified by epithelial tissue renewal based on keratinocyte differentiation protects the organism from various environmental insults by forming a physical barrier. Autophagy is a mechanism which mediates lysosomal delivery and degradation of protein aggregates, damaged organ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 자가포식 작용은 생체 내 다양한 스트레스로부터 세포의 항상성과 기능을 유지하기 위해 필수적으로 일어나는 기작으로, 표피 내에서 작동하여 다양한 내, 외부 스트레스 및 감염의 위험을 낮추고 각질형성세포의 분열과 분화에 중요한 역할을 한다. 본 연구에서 노화 및 유전적, 환경적 요인에 의해 결함이 생기는 표피층의 장벽기능 개선을 위해 천연물 유래 단일 화합물 라이브러리에서 자가포식 작용 활성화 소재를 스크리닝 하였다. 그 결과, 베타인 처리 시 각질형성세포 내 자가포식소체 마커인 LC3 puncta를 증가시키는 것을 확인하였다.
  • 본 연구에서는 노화 혹은 외부자극에 의해 감소되는 자가포식 작용의 활성화를 통해 표피 분화를 촉진함으로써 장벽기능을 개선하기 위하여 천연물 유래 단일화합물 라이브러리로부터 각질형성세포의 자가포식작용 활성을 촉진하는 화합물을 검색하여 베타인을 찾았다. 또한 in vitro 실험을 바탕으로 3D skin model에서 자가포식 작용 활성 촉진 및 표피층 두께를 증가시키는 효능을 확인하였다.
  • 또한 in vitro 실험을 바탕으로 3D skin model에서 자가포식 작용 활성 촉진 및 표피층 두께를 증가시키는 효능을 확인하였다. 이번 연구를 통해 베타인의 자가포식 작용 활성화를 통한 표피층 강화 기능성 소재로서 활용이 가능한지 알아보고자 하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
표피는 어떻게 구성되는가? 표피는 외부의 환경과 항상 접하고 있는 조직으로 주로 외부의 물리적 손상 및 화학물질로부터 인체를 보호하고, 세균, 곰팡이, 바이러스 등이 피부로 침범하는 것을 방지하며, 수분 손실을 막는 보호장벽 역할을 한다. 표피는 기저층, 유극층, 과립층 그리고 최외각 층인 각질층으로 구성되며 각질층은 순차적으로 박리되어 떨어지나 기저막에 위치한 각질형성세포가 비대칭적으로 분열하며 표피 바깥 방향으로 분화하여 표피의 구조적, 기능적 항상성이 유지된다[1]. 최근 들어,환경오염 등의 이유로 강한 자외선에 노출되는 경우가 많아졌을 뿐만 아니라 미세먼지 등에 의한 염증 반응,장벽기능의 약화 및 이에 의한 피부의 수분 손실이 증가하면서 피부 노화가 가속화되고, 피부 손상과 관련한 질병의 발병률이 증가하는 추세이다[2,3].
자가포식 작용이란 무엇인가? 표피는 각질형성세포의 분화로부터 재생되어 계층화되는 상피 조직으로서 물리적 장벽을 형성함으로써 다양한 외부 오염원으로부터 개체를 보호한다. 자가포식 작용(autophagy)은 단백질 축적물, 손상된 세포 소기관, 세포내 미생물 등이 리소좀으로 운반되고 분해되도록 매개하는 기작이다. 최근 연구 결과에 의하면 자가포식 작용이 각질형성세포의 대사 기관과 핵을 제거하여 각질층으로 최종 분화하는데 중요한 역할을 하는 것이 보고 되었다.
베타인(betaine)이 methinonine의 보충제로 많이 사용되는 이유는 무엇인가? 베타인(betaine)은 betaine anhydrous 혹은 trimethylglycine (TMG)로 불리며 생체 내 미토콘드리아에서 콜린의 비가역적인 산화과정을 통해 합성된다. glycine의 질소 원자에 결합된 메틸 그룹을 전달함으로써 methonine을 합성하는데 필수적이기 때문에 일반적 식습관으로써 섭취량이 적은 methinonine의 보충제로 많이 사용된다[13]. 또한 베타인은 눈과 피부의 자극을 줄여주는 효과가 있으며, 특유의 양쪽성 전자기적 특성에 기인하여 저자극 계면활성제로서 화장품 원료로 많이 쓰인다[14,15].
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참고문헌 (22)

  1. P. A. Sotiropoulou and C. Blanpain., Development and homeostasis of the skin epidermis, Cold Spring Harb. Perspect. Biol., 4(7), a008383 (2012). 

  2. N. D. Magnani, X. M. Muresan, G. Belmonte, F. Cervellati, C. Sticozzi, A. Pecorelli, C. Miracco, T. Marchini, P. Evelson, and G. Valacchi, Skin damage mechanisms related to airborne particulate matter exposure, Toxicol. Sci., 149(1), 227 (2016). 

  3. R. R. Wickett and M. O. Visscher, Structure and function of the epidermal barrier, Am. J. Infect. Control., 34(10), S98 (2006). 

  4. R. M. Lavker and A. G. Matoltsy, Formation of horny cells: the fate of cell organelles and differentiation products in ruminal epithelium, J. Cell. Biol., 44(3), 501 (1970). 

  5. R. M. Lavker, Horny cell formation in the epidermis of Rana pipiens, J. Morphol., 142(4), 365 (1974). 

  6. O. Akinduro, K. Sully, A. Patel, D. J. Robinson, A. Chikh, G. McPhail, K. M. Braun, M. P. Philpott, C. A. Harwood, and C. Byrne, Constitutive autophagy and nucleophagy during epidermal differentiation, J. Invest. Dermatol., 136(7), 1460 (2016). 

  7. M. Moriyama, H. Moriyama, J. Uda, A. Matsuyama, M. Osawa, and T. Hayakawa, BNIP3 plays crucial roles in the differentiation and maintenance of epidermal keratinocytes, J. Invest. Dermatol., 134(6), 1627 (2014). 

  8. Y. Zhao, C. F. Zhang, H. Rossiter, L. Eckhart, U. Konig, S. Karner, M. Mildner, V. N. Bochkov, E. Tschachler, and F. Gruber, Autophagy is induced by UVA and promotes removal of oxidized phospholipids and protein aggregates in epidermal keratinocytes, J. Invest. Dermatol., 133(6), 1629 (2013). 

  9. L. Qiang, C. Wu, M. Ming, B. Viollet, and Y. Y. He, Autophagy controls p38 activation to promote cell survival under genotoxic stress, J. Biol. Chem., 288(3), 1603 (2013). 

  10. I. Hurbain, M. Romao, P. Sextius, E. Bourreau, C. Marchal, F. Bernerd, C. Duval, and G. Raposo, Melanosome distribution in keratinocytes in different skin types: melanosome clusters are not degradative organelles, J. Invest. Dermatol., 138(3), 647 (2018). 

  11. L. M. Griffin, L. Cicchini, and D. Pyeon, Human papillomavirus infection is inhibited by host autophagy in primary human keratinocytes, Virology, 437(1), 12 (2013). 

  12. K. H. Kim and M. S. Lee, Autophagy - a key player in cellular and body metabolism, Nat. Rev. Endocrinol., 10(6), 322 (2014). 

  13. S. Davidson, B. A. Hopkins, J. Odle, C. Brownie, V. Fellner, and L. W. Whitlow, Supplementing limited methionine diets with rumen-protected methionine, betaine, and choline in early lactation holstein cows, Journal of Dairy Science., 91(4), 1552 (2008). 

  14. M. T. Kidd, P. R. Ferket, and J. D. Garlich, Nutritional and osmoregulatory functions of betaine, World's Poultry Science Journal, 53(2), 125 (2007). 

  15. E. S. Basheva, S. Stoyanov, N. D. Denkov, K. Kasuga, N. Satoh, and K. Tsujii, Foam boosting by amphiphilic molecules in the presence of silicone oil, Langmuir, 17(4), 969 (2001). 

  16. N. Mizushima, T. Yoshimorim, and B. Levine, Methods in mammalian autophagy research, Cell, 140(3), 313 (2010). 

  17. K. Khayati, H. Antikainen, E. M. Bonder, G. F. Weber, W. D. Kruger, H. Jakubowski, and R. Dobrowolski, The amino acid metabolite homocysteine activates mTORC1 to inhibit autophagy and form abnormal proteins in human neurons and mice, The FASEB Journal, 31(2), 598 (2017). 

  18. Q. Feng, K. Kalari, B. L. Fridley, G. Jenkins, Y. Ji, R. Abo, S. Hebbring, J. Zhang, M. D. Nye, J. S. Leeder, and R. M. Weinshilboum, Betaine-homocysteine methyltransferase: human liver genotype-phenotype correlation, Molecular genetics and metabolism, 102(2), 126 (2011). 

  19. E. Aymard, V. Barruche, T. Naves, S. Bordes, B. Closs, M. Verdier, and M. H. Ratinaud, Autophagy in human keratinocytes: an early step of the differentiation?, Exp. Dermatol., 20(3), 263 (2011). 

  20. Q. Dong, J. E. Oh, J. K. Yi, R. H. Kim, K. H. Shin, R. Mitsuyasu, N. H. Park, and M. K. Kang, Efavirenz induces autophagy and aberrant differentiation in normal human keratinocytes, Int. J. Mol. Med., 31(6), 1305 (2013). 

  21. B. B. Bridgeman, P. Wang, B. Ye, J. C. Pelling, O. V. Volpert, and X. Tong, Inhibition of mTOR by apigenin in UVB-irradiated keratinocytes: A new implication of skin cancer prevention, Cellular signalling, 28(5), 460 (2016). 

  22. X. Chen, M. Li, L. Li, S. Xu, D. Huang, M. Ju, J. Huang, K. Chen, and H. Gu, Trehalose, sucrose and raffinose are novel activators of autophagy in human keratinocytes through an mTOR-independent pathway, Sci. Rep., 6, 28423 (2016). 

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