Copper promotion of myocardial regeneration(심근 재생의 구리 촉진)

[N이수정(운영팀장)]

정말 어려운 개념이긴 하지만 이들이 밝혔다는 매커니즘에 대해 알고는 있어야 할 것 같아서 공유드립니다.

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7268932/

Exp Biol Med (Maywood). 2020 May; 245(10): 911–921.

Published online 2020 Mar 8. doi: 10.1177/1535370220911604

PMCID: PMC7268932

PMID: 32148090

Copper promotion of myocardial regeneration

심근 재생의 구리 촉진

Ying Xiao,1,* Tao Wang,1,* Xin Song,1 Dan Yang,1 Qing Chu,1 and Y James Kang1,2

Abstract 초록

Myocardial regeneration is the key to the functional recovery of ischemic heart. Angiogenesis plays a pivotal role in myocardial regeneration by resetting a rejuvenation microenvironment under ischemic conditions. Hypoxia-inducible factor 1 (HIF-1) is the predominant transcription factor in the regulation of angiogenesis. In prolonged myocardial infarction, HIF-1α, the critical subunit of HIF-1, is accumulated in the infarcted myocardium, but fails to activate angiogenesis, suggesting a missing of a critical factor in the HIF-1 regulation of angiogenesis. Copper is involved in multiple steps of HIF-1 regulation of target gene expression‎. However, copper is deprived during myocardial ischemic injury, leading to deactivation of HIF-1-regulated angiogenesis. Multiple approaches are applied to increasing copper availability in the ischemic heart, effectively reactivating transcription of HIF-1 target angiogenic genes. Copper-induced angiogenesis thus reconstructs the conduit for the transduction of tissue injury signaling, recruitment of tissue repair materials such as stem cells, and the homing of stem cells, leading to the promotion of myocardial regeneration. Thus, copper promotes myocardial regeneration through reactivation of HIF-1-regulated angiogenesis. This would constitute an alternative therapeutic approach to ischemic heart disease.

심근 재생은 허혈성 심장의 기능적 회복의 열쇠입니다. 혈관 신생은 허혈성 조건에서 다시 젊어지는 미세 환경을 재설정하여 심근 재생에서 중추적인 역할을 합니다. 저산소증 유도성 인자 1(HIF-1)은 혈관신생의 조절에서 지배적인 전사 인자입니다. 장기간의 심근경색증에서 HIF-1의 중요한 소단위인 HIF-1α는 경색된 심근에 축적되지만 혈관신생을 활성화하지 못하여 HIF-1의 혈관신생 조절에 중요한 인자가 결여되어 있음을 시사합니다. 구리는 표적 유전자 발현의 HIF-1 조절의 여러 단계에 관여합니다. 그러나 심근 허혈성 손상 동안 구리가 결핍되어 HIF-1 조절 혈관신생이 비활성화됩니다. 허혈성 심장에서 구리 가용성을 높이기 위해 여러 접근 방식이 적용됩니다. HIF-1 표적 혈관신생 유전자의 전사를 효과적으로 재활성화합니다. 따라서 구리 유도 혈관신생은 조직 손상 신호 전달, 줄기 세포와 같은 조직 복구 물질 모집 및 줄기 세포의 귀소를 위한 도관을 재구성하여 심근 재생을 촉진합니다. 따라서 구리는 HIF-1 조절 혈관신생의 재활성화를 통해 심근 재생을 촉진합니다. 이것은 허혈성 심장 질환에 대한 대안적인 치료적 접근을 구성할 것입니다. 구리는 HIF-1 조절 혈관신생의 재활성화를 통해 심근 재생을 촉진합니다. 이것은 허혈성 심장 질환에 대한 대안적인 치료적 접근을 구성할 것입니다. 구리는 HIF-1 조절 혈관신생의 재활성화를 통해 심근 재생을 촉진합니다. 이것은 허혈성 심장 질환에 대한 대안적인 치료적 접근을 구성할 것입니다.

Impact statement 영향 설명

Copper promotes angiogenesis, but the mechanistic insights have not been fully elucidated until recently. In addition, the significance of copper promotion of angiogenesis in myocardial regeneration was increasingly revealed. Copper critically participates in the regulation of hypoxia-inducible factor 1 (HIF-1) of angiogenic gene expression‎. Interestingly, myocardial ischemia causes copper efflux from the heart, leading to suppression of angiogenesis, although HIF-1α, the critical subunit of HIF-1, remains accumulated in the ischemic myocardium. Strategies targeting copper specific delivery to the ischemic myocardium lead to selective activation of HIF-1-regulated angiogenic gene expression‎. Vascularization of the ischemic myocardium re-establishes the tissue injury microenvironment, and rebuilds the conduit for communication between the tissue injury signals and the remote regenerative responses including stem cells. This process promotes myocardial regeneration. Thus, a simple and effective copper supplementation to the ischemic myocardium would become a novel therapeutic approach to the treatment of patients with ischemic heart diseases.

구리는 혈관 신생을 촉진하지만 최근까지 기계적 통찰력이 완전히 해명되지 않았습니다. 또한, 심근 재생에서 구리 촉진의 혈관 신생의 중요성이 점점 더 밝혀졌습니다. 구리는 혈관신생 유전자 발현의 저산소증 유발 인자 1(HIF-1)의 조절에 결정적으로 참여합니다. 흥미롭게도, 심근 허혈은 심장에서 구리 유출을 일으켜 혈관신생을 억제하지만, HIF-1의 중요한 소단위인 HIF-1α는 허혈성 심근에 축적된 채로 남아 있습니다. 허혈성 심근으로의 구리 특이적 전달을 표적으로 하는 전략은 HIF-1 조절된 혈관신생 유전자 발현의 선택적 활성화로 이어집니다. 허혈성 심근의 혈관화는 조직 손상 미세 환경을 재확립하고, 조직 손상 신호와 줄기 세포를 포함한 원격 재생 반응 간의 통신을 위한 도관을 재건합니다. 이 과정은 심근 재생을 촉진합니다. 따라서, 허혈성 심근에 대한 간단하고 효과적인 구리 보충은 허혈성 심장 질환 환자의 치료에 대한 새로운 치료법이 될 것입니다.

Keywords: Copper, myocardial regeneration, angiogenesis, hypoxia-inducible factor 1, stem cell, tissue injury signaling 구리, 심근 재생, 혈관신생, 저산소증 유발 인자 1, 줄기 세포, 조직 손상 신호

Introduction 소개

Loss of cardiomyocytes in the ischemic heart impairs the contractile function of the heart.1 Myocardial regeneration is the key to functional recovery of the ischemic heart.2 This process needs sufficient support from microenvironment, including oxygen and nutrition, growth factors and cytokines, suitable extracellular matrix, and supply of repair materials.3 Blood provides an appropriate microenvironment that guarantees the survival and normal function of cardiac cells.4 However, blood flow is dramatically blocked in the heart subjected to ischemic insult.5,6 As a consequence of the deteriorate hypoxic condition, myocardial regeneration is suppressed due to the disturbance of the regeneration-favorable microenvironment. In contrast, collagen deposition takes place to maintain the structural integrity, further deteriorating myocardial contractile function.6,7

허혈성 심장에서 심근세포의 손실은 심장의 수축 기능을 손상시킵니다. 1 심근 재생은 허혈성 심장의 기능적 회복의 열쇠입니다. 2 이 과정은 산소와 영양, 성장 인자와 사이토카인, 적절한 세포외 기질, 복구 ​​물질 공급을 포함한 미세 환경의 충분한 지원이 필요합니다. 3 혈액은 심장 세포의 생존과 정상적인 기능을 보장하는 적절한 미세 환경을 제공합니다. 4 그러나 허혈성 손상을 받은 심장에서는 혈류가 급격히 차단됩니다. 5 , 6악화된 저산소 상태의 결과로 재생에 유리한 미세 환경의 교란으로 인해 심근 재생이 억제됩니다. 대조적으로, 콜라겐 침착은 구조적 무결성을 유지하기 위해 발생하여 심근 수축 기능을 더욱 악화시킵니다. 6 , 7

Angiogenesis is the most promising approach to myocardial regeneration. The increase in blood supply to the injured tissue leads to the improvement of local supply of oxygen, nutrition, growth factors, and cytokines; reestablishment of the communication between the tissue injury signal and the remote repair system, such as mobilization of bone marrow stem cells8,9; and enhancement of stem cell homing to ensure the process of myocardial regeneration.

혈관 신생은 심근 재생에 대한 가장 유망한 접근 방식입니다. 손상된 조직에 대한 혈액 공급의 증가는 산소, 영양, 성장 인자 및 사이토카인의 국소 공급 개선으로 이어집니다. 골수 줄기 세포 8 , 9 의 동원과 같은 조직 손상 신호와 원격 복구 시스템 간의 통신 재확립 ; 심근 재생 과정을 보장하기 위한 줄기 세포 귀환의 향상.

After ischemic injury takes place, a self-repair mechanism is immediately initiated, including angiogenesis in the acute phase of myocardial ischemia.10 However, this self-repair mechanism is depressed in the chronic phase of myocardial injury.11 Angiogenesis is regulated predominately by the expression‎ of hypoxia-inducible factor-1 (HIF-1) target angiogenic genes.12 HIF-1α, the critical subunit of HIF-1, is accumulated in the hypoxic tissue as the result of myocardial ischemia, and remained at a high level as the progression of the hypoxic condition.13,14 The expression‎ of angiogenic genes is up-regulated within several days, but depressed in the chronic phase, after the injury.10,14,15 The consistent accumulation of HIF-1α proteins but depressed angiogenesis indicates the missing link between tissue injury signal and the response of the repair mechanism.

허혈성 손상이 발생한 후 심근 허혈의 급성기에 혈관 신생을 포함하여 자가 복구 메커니즘이 즉시 시작됩니다. 10 그러나 이러한 자가 복구 메커니즘은 심근 손상의 만성 단계에서 저하됩니다. 11 혈관신생은 주로 저산소증 유발 인자-1(HIF-1) 표적 혈관신생 유전자의 발현에 의해 조절됩니다. 12 HIF-1의 중요한 소단위인 HIF-1α는 심근허혈의 결과로 저산소 조직에 축적되고, 저산소 상태가 진행됨에 따라 높은 수준으로 유지된다. 13 , 14 혈관신생 유전자의 발현은 수일 이내에 상향 조절되지만 손상 후 만성 단계에서는 억제됩니다. 10 ,14 , 15 HIF-1α 단백질이 지속적으로 축적되지만 혈관신생이 억제된다는 것은 조직 손상 신호와 복구 메커니즘의 반응 사이의 연결이 누락되었음을 나타냅니다.

Copper is an essential trace element for humans, and is required for the activation of HIF-1-regulated expression‎ of angiogenic genes.16 However, copper is deprived in the ischemic myocardium.14,17,18 Multiple approaches to increasing the availability of copper to the ischemic myocardium indeed reactivate the transactivation of HIF-1-regulated angiogenic genes,19–21 leading to improved angiogenesis and promotion of myocardial regeneration.

구리는 인간에게 필수적인 미량 원소이며, HIF-1 조절된 혈관신생 유전자 발현의 활성화에 필요합니다. 16 그러나 허혈성 심근에는 구리가 부족합니다. 14 , 17 , 18 허혈성 심근에 대한 구리의 가용성을 증가시키기 위한 다양한 접근 방식은 실제로 HIF-1 조절 혈관신생 유전자의 전이활성화를 재활성화합니다. 19– 21 개선된 혈관 신생 및 심근 재생 촉진으로 이어집니다.

In the present review, we summarized the current understanding of HIF-1 regulation of angiogenesis and the critical role of copper in this process, providing a novel insight into the concept of establishing tissue injury signaling for reactivation of self-repair mechanism for myocardial regeneration in ischemic heart disease.9

현재 검토에서 우리는 혈관 신생의 HIF-1 조절과 이 과정에서 구리의 중요한 역할에 대한 현재의 이해를 요약하여 허혈성 심장질환에서의 심근 재생을 위한 자가 복구 메커니즘의 재활성화를 위한 조직 손상 신호를 설정하는 개념에 대한 새로운 통찰력을 제공합니다. 9

HIF-1 regulation of angiogenesis in ischemic myocardium

허혈성 심근에서의 혈관신생의 HIF-1조절

Angiogenesis mainly relies on the sprouting of endothelial cells from the existing blood vessels, including the following steps: extracellular matrix modulation, endothelial cells migration, lumen formation, and endothelial cells proliferation and elongation.22,23 These four steps are regulated precisely by multiple angiogenic factors, including vascular endothelial growth factors (VEGF) and its receptors (VEGFRs),24 angiopoietin-2 (ANGPT-2),25,26 placental growth factor (PGF),27 platelet-derived growth factor B (PDGFB),28 and stem cell factor (SCF).12,29 The expression‎ of most angiogenic factors is regulated by a common transcription factor, HIF-1. It was demonstrated that targeting HIF-1 transcription activity to induce angiogenic gene expression‎ was a comprehensive strategy to promote angiogenesis and myocardial regeneration.30,31

혈관신생은 주로 세포외 기질 조절, 내피 세포 이동, 내강 형성, 내피 세포 증식 및 신장과 같은 단계를 포함하여 기존 혈관에서 내피 세포의 발아에 의존합니다. 22 , 23 이 4가지 단계는 혈관 내피 성장 인자(VEGF) 및 그 수용체(VEGFR), 24 안지오포이에틴-2(ANGPT-2), 25 , 26 태반 성장 인자(PGF), 27 를 포함한 여러 혈관신생 인자에 의해 정확하게 조절됩니다. 혈소판 유래 성장 인자 B(PDGFB), 28 및 줄기 세포 인자(SCF). 12 , 29대부분의 혈관신생 인자의 발현은 공통 전사 인자인 HIF-1에 의해 조절됩니다. HIF-1 전사 활성을 표적으로 하여 혈관신생 유전자 발현을 유도하는 것이 혈관신생 및 심근 재생을 촉진하는 포괄적인 전략이라는 것이 입증되었습니다. 30 , 31

HIF-1 is a major transcription factor that is activated in response to ischemic injury.31 HIF-1 is composed of HIF-1α and HIF-1β,32 in which accumulation of HIF-1α is a key step for the activation of HIF-1 regulation of gene expression‎.33,34 HIF-1α contains two different domains in the carboxyl-terminal: the transaction domain35 and the two oxygen-dependent degradation domains.36 Under normoxic condition, one or two of the two oxygen-dependent degradation domains (Pro402 and Pro564) on HIF-1α protein are recognized by the prolyl hydroxylase domain-containing proteins (PHDs), catalyzing the hydroxylation reaction.33,37,38 The hydroxylated HIF-1α is recognized by the von Hippel–Lindau protein (pVHL) of the ubiquitin ligase complex, leading to degradation of the HIF-1α subunit by proteasome.39,40 Under hypoxic conditions, in contrast, HIF-1α proteins escape from the ubiquitination degradation pathway to accumulate and translocate into the nucleus to form heterodimer with HIF-1β. Interaction with co-factors including CREB binding protein (CBP) and P300 in transaction area is necessary for the formation of HIF-1 transcriptional complex. Then the HIF-1 transcriptional complex binds to hypoxic response elements (HREs), containing the core of HIF-1 binding site sequence 5'-RCGTG-3' (where R stands for G or A), to initiate expression‎ of target genes. Stabilization of HIF-1α proteins by some transition metals, such as cobalt and nickel, could enhance the transcriptional activity of HIF-1. Factor inhibiting HIF-1 (FIH) is an asparaginyl hydroxylase in the nucleus, catalyzing hydroxylation of asparagine in the C-terminal of HIF-1α, to inhibit the formation of HIF-1 transcriptional complex, leading to suppression of genes expression‎.

HIF-1은 허혈성 손상에 반응하여 활성화되는 주요 전사 인자입니다. 31 HIF-1은 HIF-1α와 HIF-1β로 구성되며, 32 HIF-1α의 축적은 HIF-1 유전자 발현 조절의 활성화를 위한 핵심 단계입니다. 도 33 , 34 HIF-1α는 카르복실 말단에 2개의 상이한 도메인, 즉 거래 도메인( 35 ) 및 2개의 산소 의존적 분해 도메인을 함유합니다. 36 정상산소 조건에서 HIF-1α 단백질의 두 개의 산소 의존성 분해 도메인(Pro402 및 Pro564) 중 하나 또는 두 개는 프롤릴 하이드록실라제 도메인 함유 단백질(PHD)에 의해 인식되어 수산화 반응을 촉매합니다. 33 , 37 ,38 수산화된 HIF-1α는 유비퀴틴 리가제 복합체의 폰 히펠-린다우 단백질(pVHL)에 의해 인식되어 프로테아좀에 의한 HIF-1α 소단위의 분해로 이어집니다. 39 , 40대조적으로, 저산소 조건에서 HIF-1α 단백질은 유비퀴틴화 분해 경로에서 빠져나와 축적되어 핵으로 전위되어 HIF-1β와 이종이량체를 형성합니다. HIF-1 전사 복합체의 형성에는 거래 영역에서 CREB 결합 단백질(CBP) 및 P300을 포함한 보조 인자와의 상호 작용이 필요합니다. 그런 다음 HIF-1 전사 복합체는 HIF-1 결합 부위 서열 5'-RCGTG-3'(여기서 R은 G 또는 A를 나타냄)의 핵심을 포함하는 저산소 반응 요소(HRE)에 결합하여 표적 유전자의 발현을 개시합니다. 코발트 및 니켈과 같은 일부 전이 금속에 의한 HIF-1α 단백질의 안정화는 HIF-1의 전사 활성을 향상시킬 수 있습니다. HIF-1을 억제하는 인자(FIH)는 핵에 있는 아스파라기닐 수산화효소로, HIF-1α의 C-말단에 있는 아스파라긴의 수산화를 촉매하여 HIF-1 전사 복합체의 형성을 억제하여 유전자 발현을 억제합니다.

Activation of HIF-1 target gene expression‎ of angiogenic factors is essential for angiogenesis and myocardial regeneration. After ischemic injury, HIF-1α was accumulated immediately in the ischemic myocardium to initiate downstream gene expression‎, including multiple genes participating in angiogenesis. For instance, the mRNA levels of VEGF, VEGFR1, and ANGPT2 were elevated within a week (the acute or early phase) along with the accumulation of HIF-1α in the ischemic heart.10 However, after four weeks of ischemic injury (the chronic or prolonged phase), although the accumulation of HIF-1α remained increased, the expression‎ of the angiogenic factors was significantly suppressed, leading to depressed angiogenesis.14,20 Several studies have focused on enhancing HIF-1 transcriptional activities by using cardiac-specific HIF-1α-overexpressing transgenic mice to restore the expression‎ of downstream genes. The results showed that the elevation of HIF-1α provided a protection for myocardium via preservation of angiogenesis from diabetes-induced impairment of glucose metabolism.41 It should be noted that this overall increase of HIF-1α proteins would result in a non-specific activation of all HIF-1 target genes, including genes controlling apoptosis and metabolism.42 It would produce a potential threatening to the ischemic heart.

혈관신생 인자의 HIF-1 표적 유전자 발현의 활성화는 혈관신생 및 심근 재생에 필수적입니다. 허혈성 손상 후 HIF-1α는 허혈성 심근에 즉시 축적되어 혈관 신생에 참여하는 여러 유전자를 포함하여 다운 스트림 유전자 발현을 시작했습니다. 예를 들어, VEGF, VEGFR1 및 ANGPT2의 mRNA 수준은 허혈성 심장에서 HIF-1α의 축적과 함께 일주일(급성 또는 초기 단계) 이내에 상승했습니다. 10 그러나 허혈성 손상(만성 또는 연장기) 4주 후 HIF-1α의 축적은 여전히 ​​증가했지만 혈관신생 인자의 발현이 유의하게 억제되어 혈관신생이 저하되었습니다. 14 , 20여러 연구에서 심장 특이적 HIF-1α를 과발현하는 형질전환 마우스를 사용하여 다운스트림 유전자의 발현을 복원함으로써 HIF-1 전사 활성을 향상시키는 데 중점을 두었습니다. 결과는 HIF-1α의 상승이 당뇨병으로 인한 포도당 대사 장애로부터 혈관 신생을 보존함으로써 심근을 보호한다는 것을 보여주었습니다. 41 HIF-1α 단백질의 이러한 전반적인 증가는 세포 사멸 및 대사를 제어하는 ​​유전자를 포함하여 모든 HIF-1 표적 유전자의 비특이적 활성화를 초래할 것이라는 점에 유의해야 합니다. 42 허혈성 심장을 위협할 가능성이 있습니다.

In the prolonged myocardial ischemic infarction, HIF-1α protein remained accumulated in the infarct area but the expression‎ of HIF-1 target genes was suppressed in human studies43 and animal models.13,14 This contradictory phenomenon suggests a missing link between the accumulated HIF-1α proteins and the expression‎ of angiogenic genes (Figure 1). Finding this missing link would provide an alternative therapeutic target to reactivate angiogenesis and promote myocardial regeneration in ischemic heart disease.

장기간의 심근 허혈 경색에서 HIF-1α 단백질은 경색 부위에 축적 된 채로 남아 있었지만 HIF-1 표적 유전자의 발현은 인간 연구 43 및 동물 모델에서 억제되었습니다. 13 , 14 이 모순된 현상은 축적된 HIF-1α 단백질과 혈관신생 유전자 발현 사이의 연결이 누락되었음을 시사합니다(그림 1). 이 누락된 연결 고리를 찾는 것은 허혈성 심장 질환에서 혈관신생을 재활성화하고 심근 재생을 촉진하는 대체 치료 표적을 제공할 것입니다.

Figure 1.

HIF-1 regulation of angiogenesis in myocardial ischemia. HIF-1 is a major transcription factor that is activated in response to ischemic injury. Under normoxic condition, HIF-1α is unstable and prone to degradation. Under hypoxic conditions, HIF-1α is accumulated in the cytosol and translocated to the nucleus, forming the HIF-1 transcriptional complex, and then binding to the HRE sequence to initiate the expression‎ of pro-angiogenic genes. During the acute phase of ischemic injury, angiogenesis is activated in the injured heart under the control of the elevated angiogenic factors. However, in the chronic phase of myocardial ischemia, the sustained accumulation of HIF-1α does not result in an elevation of HIF-1 transcriptional activity. Insufficient signals of angiogenesis thus suppress the process of vascularization, ultimately leading to inadequate blood distribution to the injured myocardium resulting in ischemic infarction. (A color version of this figure is available in the online journal.)

심근 허혈에서 혈관 신생의 HIF-1 조절. HIF-1은 허혈성 손상에 반응하여 활성화되는 주요 전사 인자입니다. 정상 산소 상태에서 HIF-1α는 불안정하고 분해되기 쉽습니다. 저산소 조건에서 HIF-1α는 세포질에 축적되어 핵으로 전위되어 HIF-1 전사 복합체를 형성한 다음 HRE 서열에 결합하여 혈관신생 촉진 유전자의 발현을 시작합니다. 허혈성 손상의 급성기 동안, 상승된 혈관신생 인자의 제어하에 손상된 심장에서 혈관신생이 활성화됩니다. 그러나 심근 허혈의 만성 단계에서 HIF-1α의 지속적인 축적은 HIF-1 전사 활성의 상승을 초래하지 않습니다. 혈관 신생의 신호가 충분하지 않으면 혈관 생성 과정이 억제됩니다. 궁극적으로 손상된 심근에 부적절한 혈액 분배를 초래하여 허혈성 경색을 초래합니다. (이 그림의 컬러 버전은 온라인 저널에서 볼 수 있습니다.)

Copper regulation of HIF-1 transcriptional activity HIF-1전사 활성의 구리 조절

The essential role of copper in angiogenesis has been known for several decades since McAuslan and Gole44 first discovered that copper induced intraocular vascularization in anterior chamber implants in rats in 1980. Later in 1982, in vivo studies conducted in other species by Ziche et al.45 and Raju et al.46 showed that copper stimulated microvessel formation in avascular corneas of rabbits. Further studies continued and supported that copper is an angiogenesis stimulator affecting numerous processes of angiogenesis, including endothelial cell proliferation,47–49 migration,49–51 tube formation,49,52 and vessel maturation.53 This pro-angiogenic effect of copper was primarily through the regulation of a series of adhesive and growth-promoting factors involved in angiogenesis, such as VEGF.54 Therefore, it was reasonable to suggest that copper is involved in the regulation of transcription factors for these pro-angiogenic genes.

혈관신생에서 구리의 필수적인 역할은 McAuslan과 Gole44가 1980년 쥐의 전방 임플란트에서 구리가 안내 혈관 형성을 유도한다는 것을 처음 발견한 이래 수십 년 동안 알려져 왔습니다. 1982년 후반에 Ziche et al.45 Raju et al.46은 구리가 토끼의 무혈성 각막에서 미세혈관 형성을 자극한다는 것을 보여주었습니다. 추가 연구는 구리가 내피 세포 증식,47–49 이동,,49–51 튜브 형성,49,52 및 혈관 성숙53을 포함하여 다양한 혈관 신생 과정에 영향을 미치는 혈관 신생 자극제임을 계속해서 뒷받침했습니다. 구리의 이러한 친 혈관 신생 효과는 주로 VEGF54와 같은 일련의 접착 및 성장 촉진 인자의 조절을 통해 혈관 생성에 관여합니다. 따라서 구리가 이러한 혈관 생성 촉진 유전자의 전사 인자 조절에 관여한다고 제안하는 것이 합리적입니다.

HIF-1, the key transcription factor in regulation of angiogenesis, was later proved to be a major mediator of copper-induced angiogenesis. In 2007, Jiang et al.20 showed that dietary supplementation of physiologically relevant levels of copper restored VEGF levels and promoted angiogenesis in hypertrophic hearts in mice. Further studies demonstrated that copper-induced angiogenesis was HIF-1 dependent as indicated by the fact that small interfering RNA targeting HIF-1α abolished copper-induced VEGF expression‎ in cultured human cardiomyocytes.16 Therefore, the effect of copper on angiogenesis is dependent on the regulation of HIF-1 activity. How does copper regulate HIF-1 transcriptional activity?

혈관신생 조절의 핵심 전사 인자인 HIF-1은 나중에 구리 유도 혈관신생의 주요 매개체임이 입증되었습니다. 2007년 Jiang et al . 20 은 생리학적으로 적절한 수준의 구리를 식이 보충하면 VEGF 수준을 회복하고 생쥐의 비대심장에서 혈관신생을 촉진한다는 것을 보여주었습니다. 추가 연구는 HIF-1α를 표적으로 하는 작은 간섭 RNA가 배양된 인간 심근세포에서 구리 유도 VEGF 발현을 폐지한다는 사실에 의해 나타난 바와 같이 구리 유도 혈관신생이 HIF-1 의존적임을 입증했습니다. 16 따라서, 혈관신생에 대한 구리의 효과는 HIF-1 활성의 조절에 의존합니다. 구리는 HIF-1 전사 활성을 어떻게 조절할까요?

Mechanisms by which copper regulates HIF-1 angiogenic activity

구리가 HIF-1 혈관신생 활성을 조절하는 메커니즘

Multifunctional regulation of HIF-1 by copper 구리에 의한 HIF-1의 다기능 조절

Copper regulates HIF-1 activity at multiple sites, including HIF-1α protein stabilization, transcriptional complex formation, and binding to the HRE sequence of target genes. As previously noted, the stability of HIF-1α protein is censored by two systems, PHDs in the cytosol and FIH-1 in the nucleus. Some transition metals such as cobalt and nickel enhance HIF-1 activity by inhibiting these two systems leading to stabilization of the HIF-1α protein.55–57 It has been shown that the treatment with high levels (100 µM) of copper in different cell lines was also capable of inhibiting the activity of PHDs, promoting the accumulation of HIF-1α protein and its target genes expression‎, such as VEGF, ceruloplasmin, and GLUT1, even under normoxic conditions.58,59 However, copper at physiologically relevant levels do not influence either the production or the stability of HIF-1α protein, but instead, it is required for HIF-1 transcriptional complex formation and binding to the HRE sequence of target genes.16,60–62 Copper deprivation by tetraethylenepentamine (TEPA), a copper chelator, suppressed HIF-1 activation induced by either IGF-1 treatment in cultured human cardiomyocytes20 or hypoxia in HepG2 cells.16 Further analysis using an enzyme-linked immunosorbent assay or an electrophoretic mobility shift assay (EMSA) found that copper deprivation significantly reduced the binding of HIF-1 to the HRE of the target genes.16,20 Moreover, copper deprivation inhibited the recruitment of cofactors, such as p300, to HIF-1 transcriptional complex, which was likely via affecting FIH-1 activity.16 Thus, these observations demonstrated that copper is required for HIF-1 activation through regulation of HIF-1 binding to the HRE and the formation of the HIF-1 transcriptional complex.

구리는 HIF-1α 단백질 안정화, 전사 복합체 형성 및 표적 유전자의 HRE 서열에 대한 결합을 비롯한 여러 부위에서 HIF-1 활성을 조절합니다. 이전에 언급했듯이 HIF-1α 단백질의 안정성은 세포질의 PHD와 핵의 FIH-1이라는 두 가지 시스템에 의해 중도절단됩니다. 코발트 및 니켈과 같은 일부 전이 금속은 HIF-1α 단백질의 안정화를 유도하는 이 두 시스템을 억제함으로써 HIF-1 활성을 향상시킵니다. 55– 57 다른 세포주에서 높은 수준(100μM)의 구리 처리는 PHD의 활성을 억제하고 HIF-1α 단백질의 축적과 VEGF와 같은 표적 유전자 발현을 촉진할 수 있는 것으로 나타났습니다. ceruloplasmin 및 GLUT1은 정상 산소 상태에서도 마찬가지입니다. 58 , 59 그러나 생리학적으로 적절한 수준의 구리는 HIF-1α 단백질의 생산이나 안정성에 영향을 미치지 않고 대신 HIF-1 전사 복합체 형성 및 표적 유전자의 HRE 서열에 대한 결합에 필요합니다. 16 , 60– 62 구리 킬레이트제인 테트라에틸렌펜타민(TEPA)에 의한 구리 결핍은 배양된 인간 심근세포 20 또는 HepG2 세포의 저산소증에서 IGF-1 처리에 의해 유도된 HIF-1 활성화를 억제했습니다. 16 효소 결합 면역흡착 분석법 또는 전기영동 이동성 이동 분석법(EMSA)을 사용한 추가 분석은 구리 결핍이 표적 유전자의 HRE에 대한 HIF-1의 결합을 상당히 감소시키는 것으로 나타났습니다. 16 , 20 더욱이, 구리 결핍은 FIH-1 활성에 영향을 줌으로써 HIF-1 전사 복합체에 p300과 같은 보조인자의 모집을 억제했습니다. 16따라서, 이러한 관찰은 HRE에 대한 HIF-1 결합의 조절 및 HIF-1 전사 복합체의 형성을 통해 HIF-1 활성화에 구리가 필요하다는 것을 입증했습니다.

Selective regulation by copper of HIF-1-controlled angiogenesis

구리에 의한 HIF-1 조절 혈관신생의 선택적 조절

Copper is not required for the expression‎ of all HIF-1-regulated genes.61–63 This was initially demonstrated by an in vitro study in which the treatment of HUVECs with TEPA suppressed the expression‎ of a group of HIF-1 target genes such as BNIP3 and VEGF, but did not affect other HIF-1 target genes such as IGF-2.63 This copper selective regulation of the expression‎ of HIF-1-controlled genes was further defined in studies of monkey model of myocardial ischemic infarction.14 It was observed that the accumulation of HIF-1α was accompanied by suppressed expression‎ of HIF-1α-controlled angiogenic factors, including VEGF, tyrosine-protein kinase receptor Tie-2, angiopoietin-1 (Ang-1), and fibroblast growth factor-1 (FGF-1) in the ischemic myocardium. This paradoxical phenomenon, HIF-1α accumulation versus suppression of HIF-1 target angiogenic gene expression‎, was most likely attributed by the reduced copper concentrations in the ischemic heart, as the expression‎ of other copper-independent HIF-1 target genes such as IGF-2 was activated in the ischemic myocardium.14 A recent study, by coupling ChIP-sequencing and RNA-sequencing method, comprehensively identified 281 copper-dependent and 10 copper-independent HIF-1 target genes across the genome under hypoxic conditions.62 Copper, as a cellular modulator, selectively regulates HIF-1α binding sites across the genome to cope with varying environmental conditions such as hypoxia.

구리는 모든 HIF-1 조절 유전자의 발현에 필요하지 않습니다. 61– 63 이것은 HUVEC를 TEPA로 처리하면 BNIP3 및 VEGF와 같은 HIF-1 표적 유전자 그룹의 발현을 억제하지만 IGF-2와 같은 다른 HIF-1 표적 유전자에는 영향을 미치지 않는 시험관 내 연구에 의해 처음 입증되었습니다. 63 이러한 HIF-1 조절 유전자 발현의 구리 선택적인 조절은 심근 허혈성 경색의 원숭이 모델 연구에서 추가로 정의되었습니다. 14HIF-1α의 축적은 VEGF, tyrosine-protein kinase receptor Tie-2, angiopoietin-1(Ang-1), 섬유아세포 성장인자(fibroblast growth factor-1)를 포함한 HIF-1α 조절 혈관신생 인자의 발현 억제를 동반하는 것으로 관찰되었습니다. 이러한 역설적 현상인 HIF-1α 축적 대 HIF-1 표적 혈관신생 유전자 발현의 억제는 IGF-2와 같은 다른 구리-독립적인-HIF-1표적 유전자의 발현이 허혈성 심근에서 활성화 된 것과 같이 허혈성 심장에서 구리 농도가 감소했기 때문일 가능성이 가장 높습니다.14 최근 연구에서는 ChIP 시퀀싱과 RNA 시퀀싱 방법을 결합하여 저산소 조건에서 게놈 전체에 걸쳐 281개의 구리 의존성 및 10개의 구리 독립적인 HIF-1 표적 유전자를 포괄적으로 확인했습니다.62 구리는 세포 조절제로서 게놈 전체에 걸쳐 HIF-1α 결합 부위를 선택적으로 조절하여 저산소증과 같은 다양한 환경 조건에 대처합니다.

The mechanism by which copper selectively regulates the binding site of the HIF-1 target genes was recently revealed by an in vitro study in HUVECs.61 In this study, copper deprivation by TEPA completely suppressed the binding of HIF-1α to HRE site (−412/−404) of BNIP3 along with a complete inhibition of BNIP3 mRNA expression‎, but the binding of HIF-1α to the HRE site (−354/−347) of IGF-2 or the expression‎ of IGF-2 mRNA was not affected under hypoxic condition. Furthermore, de novo motif analysis of all 218 copper-dependent and 10 copper-independent HIF-1 target genes further revealed that the core bases “GGAA” and “TTCC,” previously identified as the core motifs for E26-transformation-specific (ETS) family,64 constituted the critical motifs for the binding sites of copper-dependent genes, while no specific motif found in copper-independent genes except the motif for HIF-1α.62 The differences in the binding loci and patterns between all the copper-dependent and copper-independent HIF-1 target genes indicated that copper, by affecting the binding of HIF-1α to the critical motifs in the promoter and putative enhancer regions of HIF-1-regulated genes, selectively regulates the expression‎ of HIF-1-controlled angiogenic genes.

구리가 HIF-1 표적 유전자의 결합 부위를 선택적으로 조절하는 메커니즘은 최근 HUVEC 에서의 시험관 연구에 의해 밝혀졌습니다. 61 이 연구에서 TEPA에 의한 구리 결핍은 BNIP3 mRNA 발현의 완전한 억제와 함께 BNIP3의 HRE 부위(-412/-404)에 대한 HIF-1α의 결합을 완전히 억제했지만 HIF-1α의 HRE 부위에 대한 결합 (-354/-347) IGF-2 또는 IGF-2 mRNA의 발현은 저산소 조건에서 영향을 받지 않았습니다. 또한, 모든 218개의 구리 의존적 및 10개의 구리 독립적인 HIF-1 표적 유전자에 대한 새로운 모티프 분석은 이전에 E26-변환 특이적(ETS ) 가족, 64구리 의존성 유전자의 결합 부위에 대한 중요한 모티프를 구성하는 반면, HIF-1α에 대한 모티프를 제외하고는 구리 비의존성 유전자에서 특정 모티프가 발견되지 않았습니다. 62 모든 구리 의존성 및 구리 의존성 HIF-1 표적 유전자 사이의 결합 위치 및 패턴의 차이는 구리가 HIF-1α의 프로모터 및 추정 인핸서 영역의 중요한 모티프에 대한 결합에 영향을 미침으로써 구리를 나타냅니다. 1-조절된 유전자는 HIF-1-조절된 혈관신생 유전자의 발현을 선택적으로 조절합니다.

Copper-binding proteins involved in the regulation of HIF-1

There is virtually no detectable free copper ion in cells,65 and copper regulation of HIF-1 transcriptional activity in the nucleus upon hypoxia is most likely through copper-binding proteins (CuBPs). Copper chaperone for superoxide dismutase-1 (CCS) is the first CuBPs that has been proposed to mediate the action of copper on HIF-1 activity. In a study of cultured human cardiomyocytes, CCS gene silencing inhibited IGF-1-induced activation of HIF-1 and VEGF expression‎, mimicking the effect of copper chelation, but not been reversible upon addition of excess copper.20 This effect of CCS on regulation of HIF-1 activity was also confirmed by latter studies using different cell models treated with hypoxia16 or hypoxia mimics, such as cobalt,60 indicating that copper regulation of HIF-1 is CCS dependent.

세포에는 사실상 검출 가능한 유리 구리 이온이 없으며 65 저산소 상태에서 핵에서 HIF-1 전사 활성의 구리 조절은 구리 결합 단백질(CuBP)을 통해 일어날 가능성이 가장 큽니다. 슈퍼옥사이드 디스뮤타제-1(CCS)에 대한 구리 샤페론은 HIF-1 활성에 대한 구리의 작용을 매개하는 것으로 제안된 최초의 CuBP입니다. 배양된 인간 심근세포에 대한 연구에서 CCS 유전자 침묵은 구리 킬레이트화의 효과를 모방하는 IGF-1 유도 활성화 및 VEGF 발현을 억제했지만 과량의 구리를 첨가해도 되돌릴 수 없었습니다. 20 HIF-1 활성 조절에 대한 CCS의 이러한 효과는 저산소증 16 또는 코발트, 60HIF-1의 구리 조절이 CCS에 의존함을 나타냅니다.

In addition to CCS, copper metabolism MURR1 domain containing-1 protein (COMMD1), a critical CuBP involved in intracellular copper transportation and located in both cytosol and nucleus,66 has been reported to function as a negative regulator of HIF-1 activity. Mouse embryos deficient for COMMD1 showed an increased expression‎ of HIF-1-regulated genes (i.e. VEGF, PGK (Phosphoglycerate kinase 1), and BNIP3), corresponding to increased HIF-1α protein stability.67 Conversely, overexpression‎ of COMMD1 in human cell lines clearly inhibited HIF-1 activity.67 Further studies revealed that COMMD1 directly binds to the amino terminus of HIF-1α in the nucleus, preventing its dimerization with HIF-1β and subsequent DNA binding and transcriptional activation.68 However, COMMD1 is actively exported from the nucleus in a CRM1-dependent manner to cope with low oxygen concentrations.69 This hypoxia-driven nuclear export of COMMD1 thus become a critical step to maintain the integrity of HIF-1 transcriptional complex in the nucleus and transactivation of HIF-1 under hypoxic conditions.

CCS 외에도 세포내 구리 수송에 관여하고 세포질과 핵 모두에 위치한 중요한 CuBP인 구리 대사 MURR1 도메인 함유-1 단백질(COMMD1) 66 HIF-1 활성의 음성 조절자로서 기능하는 것으로 보고되었습니다. COMMD1이 결핍된 마우스 배아는 증가된 HIF-1α 단백질 안정성에 상응하는 HIF-1 조절 유전자(즉, VEGF, PGK(포스포글리세레이트 키나제 1) 및 BNIP3)의 증가된 발현을 보였습니다. 67 반대로, 인간 세포주에서 COMMD1의 과발현은 분명히 HIF-1 활성을 억제했습니다. 67 추가 연구에 따르면 COMMD1은 핵에서 HIF-1α의 아미노 말단에 직접 결합하여 HIF-1β와의 이량체화 및 후속 DNA 결합 및 전사 활성화를 방지합니다.68 그러나 COMMD1은 낮은 산소 농도에 대처하기 위해 CRM1 의존적 방식으로 핵에서 적극적으로 내보내집니다. 69 따라서 COMMD1의 저산소증에 의한 핵 내보내기는 핵에서 HIF-1 전사 복합체의 완전성을 유지하고 저산소 조건에서 HIF-1의 전사 활성화를 유지하는 중요한 단계가됩니다.

A recent study using copper immobilized metal affinity chromatography followed by proteomic analysis identified 17 differentially expressed nuclear CuBPs under DMOG-induced hypoxic condition.70 Among these CuBPs, albumin (ALB), lamini A/C (LMNA), and heat shock protein beta-1 (HSPB1) showed a significant increase in the nucleus after DMOG treatment, which was also confirmed under hypoxic condition. Considering the increased nuclear copper concentrations upon hypoxia,30,61,62 these newly identified CuBPs could be the targets for further study of copper regulation of HIF-1 activity in the nucleus.

구리 고정화 금속 친화성 크로마토그래피와 단백질체 분석을 사용한 최근 연구에서 DMOG 유도 저산소 조건에서 17개의 차등적으로 발현된 핵 CuBP를 확인했습니다. 70 이들 CuBP 중 알부민(ALB), 라미니 A/C(LMNA), 열충격 단백질 베타-1(HSPB1)은 DMOG 처리 후 핵의 유의한 증가를 보였으며 이는 저산소 조건에서도 확인되었습니다. 저산소 상태에서 증가된 핵 구리 농도를 고려할 때, 30 , 61 , 62 새로 확인된 CuBP는 핵에서 HIF-1 활성의 구리 조절에 대한 추가 연구의 표적이 될 수 있습니다.

Because there are multiple sites of copper regulation of HIF-1, there should be multiple proteins involved in the regulation process. The characteristics of these proteins are proposed as follows: a, interaction with copper chaperones (e.g. CCS); b, affecting FIH-1 enzyme activity; c, interaction with HIF-1 subunits or cofactors; d, interaction with ETS family (Figure 2). Most of these proteins have not been identified and further work, especially identification of possible CuBPs, is required to elucidate how copper selectively regulates HIF-1 transactivation of target gene expression‎.

HIF-1의 구리 조절 부위가 여러 개 있기 때문에 조절 과정에 여러 단백질이 관여해야 합니다. 이들 단백질의 특성은 다음과 같이 제안된다: a, 구리 샤페론(예: CCS)과의 상호작용; b, FIH-1 효소 활성에 영향을 미치고; c, HIF-1 서브유닛 또는 보조인자와의 상호작용; d, ETS 가족과의 상호작용(그림 2). 이러한 단백질의 대부분은 확인되지 않았으며 구리가 표적 유전자 발현의 HIF-1 전이 활성화를 선택적으로 조절하는 방법을 설명하기 위해 특히 가능한 CuBP의 확인이 추가 작업이 필요합니다.

Figure 2.

Copper regulation of hypoxia-inducible factor (HIF)-1 activity. HIF-1 is composed of HIF-1α and HIF-1β. Under normoxia, HIF-1α is hydroxylated by PHDs in the cytosol and FIH-1 in the nucleus, and then it undergoes proteasomal degradation. Under hypoxia, HIF-1α escapes from degradation as a result of inhibition of PHDs and FIH-1 and dimerizes with HIF-1β in the nucleus. The heterodimer then recruits cofactors such as p300, CBP and steroid receptor co-activator 1 (SRC1) to form HIF-1 transcriptional complex. Hypoxia-driven nuclear export of COMMD-1 promotes the integrity of HIF-1 transcriptional complex in the nucleus and transactivation of HIF-1. CCS brings copper into the nucleus. Copper is required for the interaction of HIF-1 with the HREs to initiate copper-dependent expression‎ of genes such as VEGF and BNIP3. The core bases “GGAA,” as the core motifs for ETS family, constitutes the critical motifs for the binding sites of copper-dependent genes. Copper also acts as an inhibitor of FIH-1. These effects would be mediated by unidentified putative CuBPs. (A color version of this figure is available in the online journal.)

저산소증 유발 인자(HIF)-1 활동의 구리 조절. HIF-1은 HIF-1α와 HIF-1β로 구성되어 있습니다. 정상 산소 상태에서 HIF-1α는 세포질의 PHD와 핵의 FIH-1에 의해 수산화되어 프로테아솜 분해를 겪습니다. 저산소 상태에서 HIF-1α는 PHD 및 FIH-1 억제의 결과로 분해에서 벗어나 핵에서 HIF-1β와 이량체화됩니다. 그런 다음 이종이량체는 p300, CBP 및 스테로이드 수용체 공동 활성화제 1(SRC1)과 같은 보조인자를 모집하여 HIF-1 전사 복합체를 형성합니다. COMMD-1의 저산소증으로 인한 핵 수출은 핵에서 HIF-1 전사 복합체의 무결성과 HIF-1의 전사 활성화를 촉진합니다. CCS는 구리를 핵으로 가져옵니다. 구리는 VEGF 및 BNIP3과 같은 유전자의 구리 의존적 발현을 시작하기 위해 HIF-1과 HRE의 상호작용에 필요합니다. 핵심기지 “GGAA, "는 ETS 계열의 핵심 모티프로서 구리 의존성 유전자의 결합 부위에 대한 중요한 모티프를 구성합니다. 구리는 또한 FIH-1의 억제제로 작용합니다. 이러한 효과는 미확인 추정 CuBP에 의해 매개됩니다. (이 그림의 컬러 버전은 온라인 저널에서 볼 수 있습니다.)

Copper induced myocardial angiogenesis 구리 유도 심근 혈관 신생

The loss of copper content in the ischemic myocardium is accompanied by the depression of angiogenesis in response to ischemic insult.17,20 Given the essential role of copper in regulating HIF-1 activity,16,20,60 retuning copper homeostasis in ischemic myocardium would reactivate angiogenesis, thereby promoting myocardial regeneration (in Figure 3).

허혈성 심근에서 구리 함량의 손실은 허혈성 손상에 대한 반응으로 혈관신생의 억제를 동반합니다. 17 , 20 HIF-1 활성을 조절하는 데 있어 구리의 필수적인 역할을 감안할 때, 16 , 20 , 60 허혈성 심근에서 구리 항상성을 조정하면 혈관신생이 재활성화되어 심근 재생이 촉진됩니다(그림 3).

Figure 3.

Copper induced myocardial angiogenesis. Myocardial ischemia leads to copper excretion from heart to blood along with angiogenesis depression. Increasing bioavailability of copper via multiple approaches including (1) dietary supplementation and (2) TETA administration, results in copper restoration in the heart. The reutilization of copper improves the transactivation of HIF-1-regulated expression‎ of angiogenic genes as described in Figure 2, leading to improved angiogenesis and promotion of myocardial regeneration. (A color version of this figure is available in the online journal.)

구리 유도 심근 혈관 신생. 심근 허혈은 혈관 신생 억제와 함께 심장에서 혈액으로 구리 배설을 초래합니다. (1) 식이보충 및 (2) TETA 투여를 포함한 다양한 접근법을 통해 구리의 생체이용률을 높이면 심장에서 구리가 회복됩니다. 구리를 재사용하면그림 2, 개선된 혈관 신생 및 심근 재생 촉진으로 이어집니다. (이 그림의 컬러 버전은 온라인 저널에서 볼 수 있습니다.)

Cardiac copper efflux after ischemic injury 허혈성 손상 후 심장 구리 유출

Myocardial copper concentrations have been found to be abnormally low in persons dying from myocardial infarction since the mid-20th century.71–73 Further examinations revealed a significant elevation in serum copper concentrations, especially in patients with acute myocardial infarction.74–76 The hypothesis that cardiac copper is mobilized into the blood after ischemic insult was then proposed by an in vitro study conducting Langendorff perfusion to isolated rat hearts. This study showed an 8- to 9-fold increment of copper concentrations in the perfusate compared to the pre-ischemic value.77 However, until recently, the cause-effect relationship between copper loss from the heart and copper elevation in the blood was addressed in a mouse study. In this study, mice were subjected to left anterior descending (LAD) artery ligation leading to myocardial ischemia and copper levels in the ischemic heart were significantly decreased as a function of elapsed time, accompanied by a gradual increase in serum copper concentrations.18

심근 구리 농도는 20세기 중반 이후 심근경색으로 사망하는 사람에게서 비정상적으로 낮은 것으로 밝혀졌습니다. 71– 73 추가 검사에서 특히 급성 심근경색증 환자에서 혈청 구리 농도가 유의하게 상승한 것으로 나타났습니다. 74– 76 허혈성 손상 후 심장 구리가 혈액으로 동원된다는 가설은 고립된 쥐의 심장에 Langendorff 관류를 수행 하는 시험관 내 연구에 의해 제안되었습니다. 이 연구는 pre-ischemic 값과 비교하여 관류액에서 구리 농도의 8-9배 증가를 보여주었습니다. 77 그러나 최근까지 마우스 연구에서 심장으로부터의 구리 손실과 혈액 내 구리 상승 사이의 인과 관계가 언급되었습니다. 이 연구에서 마우스는 심근 허혈로 이어지는 좌전하행(LAD) 동맥 결찰을 받았고 허혈성 심장의 구리 수준은 혈청 구리 농도의 점진적인 증가와 함께 경과 시간의 함수로 유의하게 감소했습니다. 18

Furthermore, the time course of copper loss from the ischemic myocardium was in parallel with the suppression of angiogenesis during the process of myocardial ischemia. A significant angiogenesis was observed prior to the extensive loss of copper in ischemic myocardium in the acute phase of myocardial ischemia (less than four days after myocardial infarction).78 However, with the prolongation of ischemia, copper content in the ischemic heart is progressively reduced (five days after myocardial infarction), accompanied by significant inhibition of angiogenesis.78 Therefore, considering the critical role of copper in promoting angiogenesis, effectively increasing copper concentrations in the heart would be conductive to reactivate angiogenesis in the ischemic myocardium.

더욱이, 허혈성 심근으로부터의 구리 손실의 시간 경과는 심근 허혈의 과정에서 혈관신생의 억제와 병행하였다. 심근 허혈의 급성기(심근경색 후 4일 미만)에서 허혈성 심근의 광범위한 구리 손실 이전에 유의미한 혈관신생이 관찰되었습니다. 78 그러나 허혈이 연장되면 허혈성 심장의 구리 함량이 점진적으로 감소하고(심근경색 후 5일), 상당한 신생 억제가 동반됩니다. 78 따라서, 혈관신생 촉진에서 구리의 중요한 역할을 고려할 때, 심장에서 구리 농도를 효과적으로 증가시키는 것은 허혈성 심근에서 혈관신생을 재활성화하기 위해 전도성이 될 것입니다.

Myocardial copper restoration and angiogenesis reactivation

심근 구리 복원 및 혈관 신생 재활성화

Dietary copper supplementation has long been used as the most direct and effective way to increase the copper content of tissues, especially for copper-deficient myocardium.20,79,80 It was reported that dietary supplementation of physiologically relevant levels of copper restored myocardial copper levels from its loss caused by prolonged pressure overload, thus promoting angiogenesis in the hypertrophic myocardium and eventually recovering myocardial function.20 Moreover, many other studies using various types of copper formulations to treat cardiomyopathy caused by different pathogeneses have also shown that increasing the bioavailability of copper to the injured myocardium is beneficial for the recovery of cardiac structure and function.81,82

식이 구리 보충제는 특히 구리 결핍 심근에서 조직의 구리 함량을 증가시키는 가장 직접적이고 효과적인 방법으로 오랫동안 사용되어 왔습니다. 20 , 79 , 80 생리학적으로 적절한 수준의 구리를 식이보충하면 장기간의 압력 과부하로 인한 손실로부터 심근의 구리 수준을 회복하여 비대성 심근의 혈관신생을 촉진하고 결국 심근 기능을 회복하는 것으로 보고되었습니다. 20또한, 다양한 병원체로 인한 심근병증을 치료하기 위해 다양한 유형의 구리 제제를 사용하는 다른 많은 연구에서도 손상된 심근에 대한 구리의 생체이용률을 높이는 것이 심장 구조 및 기능의 회복에 유익한 것으로 나타났습니다. 81 , 82

In addition to copper supplementation, a copper-selective chelator, trientine (TETA), has also been shown to effectively promote angiogenesis and reverse the hypertrophic cardiomyopathy in diabetic rats.83–85 The idea of using TETA for the treatment of cardiomyopathy was initially proposed based on the observation of the elevated serum copper levels in the diabetic rats and the fact that oral TETA treatment removes copper from the body under disease conditions such as Wilson’s disease.86 However, a recent study showed that TETA at a lower dosage (21.9 mg/kg day) actually selectively delivered copper to the copper-deficient hypertrophic hearts in rats.21 Further studies revealed the possible mechanism by which TETA facilitates copper accumulation selectively in cardiomyocytes through the formation of Cu(II)-TETA complex that is transported to cardiomyocytes via an energy-dependent, but CTR1-independent, cross membrane transportation process in cardiomyocytes.87

구리 보충 외에도 구리 선택적 킬레이트제인 트리엔틴(TETA)은 당뇨병 쥐의 혈관신생을 효과적으로 촉진하고 비대성 심근병증을 역전시키는 것으로 나타났습니다. 83– 85 심근병증 치료에 TETA를 사용하는 아이디어는 당뇨병 쥐의 혈청 구리 수치 상승 관찰과 윌슨병과 같은 질병 상태에서 경구 TETA 치료가 신체에서 구리를 제거한다는 사실을 기반으로 처음 제안되었습니다. 86 그러나 최근 연구에서 더 낮은 용량(21.9 mg/kg day)의 TETA가 실제로 쥐의 구리 결핍 비후성 심장에 구리를 선택적으로 전달하는 것으로 나타났습니다. 21 추가 연구는 TETA가 심근세포에서 에너지 의존적이지만 CTR1 독립적인 막횡단 수송 과정을 통해 심근세포로 수송되는 Cu(II)-TETA 복합체의 형성을 통해 심근세포에서 선택적으로 구리 축적을 촉진하는 가능한 메커니즘을 밝혔습니다.87

Furthermore, it was shown that diacetyl-bis(N-methylthiosemicarbazone) (ATSM) and elesclomol (ES) specifically delivered copper into hypoxic tissues such as tumors and ischemic heart.88–90 These synthetic ionophores have a high binding affinity for copper, forming lipophilic copper complexes that enable copper across cell membrane under hypoxic conditions.91 Thus, copper ionophores are currently used for hypoxic imaging of ischemic diseases and potent chemotherapeutic agents for cancer treatment.88 In addition, a recent study showed that ES treatment in genetically copper-deficient cells restored intracellular copper homeostasis and recovered mitochondrial function of the cells.92 This provides a potential application of copper ionophores to increase the bioavailability of copper to the ischemic myocardium.

또한, 디아세틸-비스(N-메틸티오세미카르바존)(ATSM) 및 엘레스클로몰(ES)은 종양 및 허혈성 심장과 같은 저산소 조직에 구리를 특이적으로 전달하는 것으로 나타났습니다. 88– 90 이 합성 이온 전달 물질은 구리에 대한 높은 결합 친화력을 가지며 저산소 조건에서 세포막을 가로질러 구리를 활성화하는 친유성 구리 착물을 형성합니다. 91 따라서 구리 이온통로구는 현재 허혈성 질환의 저산소 영상화 및 암 치료를 위한 강력한 화학요법제에 사용됩니다. 88 또한, 최근 연구에서는 유전적으로 구리가 결핍된 세포에서 ES 치료가 세포 내 구리 항상성을 회복하고 세포의 미토콘드리아 기능을 회복하는 것으로 나타났습니다. 92 이것은 허혈성 심근에 대한 구리의 생체이용률을 증가시키기 위한 구리 이온통로의 잠재적인 응용을 제공합니다.

These findings thus indicate that multiple approaches to increasing the availability of copper to the ischemic myocardium indeed can be developed. In addition, in consideration for the role of copper in reactivation of the expression‎ of HIF-1-regulated angiogenic genes, this approach would be greatly beneficial to patients with ischemic damage to other organs than just the heart.93–95

따라서 이러한 발견은 허혈성 심근에 대한 구리의 가용성을 증가시키는 여러 접근 방식이 실제로 개발될 수 있음을 나타냅니다. 또한 HIF-1에 의해 조절되는 혈관신생 유전자 발현의 재활성화에 있어 구리의 역할을 고려할 때 심장 이외의 다른 장기에 허혈성 손상이 있는 환자들에게 큰 도움이 될 것입니다. 93– 95

Angiogenesis in myocardial regeneration 심근 재생의 혈관 신생

Angiogenesis is the critical step to initiate the process of myocardial regeneration due to the fact that vascularization creates a rejuvenation microenvironment and ensures sufficient supply of regenerative materials to rescue the failing heart.

혈관 신생은 혈관이 다시 젊어지는 미세 환경을 생성하고 손상된 심장을 구출하기 위한 재생 물질의 충분한 공급을 보장한다는 사실 때문에 심근 재생 과정을 시작하는 중요한 단계입니다.

Rejuvenation of myocardial regeneration microenvironment 심근 재생 미세환경이 다시 젊어짐

Angiogenesis ameliorates the hypoxic environment and improves the vitality and function of cardiomyocytes in the ischemic myocardium. The survival and contraction of cardiomyocytes require abundant energy supply from mitochondrial-based oxidative respiration. In the acute phase of myocardial ischemia, the activation of angiogenesis rescues some parts of the ischemia-injured myocardium.78 But in the chronic phase, the depressed angiogenesis produces a persistent hypoxic condition, thus damaging the vitality and contractile function of cardiomyocytes.14 Reactivation of angiogenesis improves the hypoxic condition, restoring the function of mitochondria in the infarcted myocardium,20 rescuing the contractibility of the heart.

혈관 신생은 저산소 환경을 개선하고 허혈성 심근에서 심근 세포의 활력과 기능을 향상시킵니다. 심근세포의 생존과 수축은 미토콘드리아 기반 산화 호흡으로부터 풍부한 에너지 공급을 필요로 합니다. 심근허혈의 급성기에 혈관신생의 활성화는 허혈로 손상된 심근의 일부를 구제합니다. 78 그러나 만성기에서, 억제된 혈관신생은 지속적인 저산소 상태를 생성하여 심근세포의 활력과 수축 기능을 손상시킨다. 14 혈관신생의 재활성화는 저산소 상태를 개선하고 경색된 심근에서 미토콘드리아의 기능을 회복하고 20 심장의 수축성을 구합니다.

Angiogenesis is also involved in the modulation of extracellular matrix for myocardial regeneration. Formation of scar tissue is closely associated with depressed angiogenesis, constituting a natural barrier for myocardial regeneration.6 Promotion of angiogenesis activates multiple cytokines including matrix metalloproteinases (MMPs),96,97 which are responsible for degradation of collagens. In the process of copper-induced angiogenesis, the fibrotic scar is also ameliorated, due to an increase of MMP-2 protein level and activity in the heart.21 The coordination between angiogenesis and destruction of fibrotic scar guarantees a suitable microenvironment for myocardial regeneration.

혈관신생은 심근 재생을 위한 세포외 기질의 조절에도 관여합니다. 흉터 조직의 형성은 심근 재생을 위한 자연적 장벽을 구성하는 억제된 혈관신생과 밀접하게 연관되어 있습니다. 6 혈관신생의 촉진 은 콜라겐 분해를 담당하는 매트릭스 메탈로프로테이나제(MMP), 96 , 97 를 포함한 여러 사이토 카인을 활성화 합니다. 구리로 유도된 혈관신생 과정에서 섬유성 흉터는 MMP-2 단백질 수준과 심장 활동의 증가로 인해 개선됩니다. 21 혈관신생과 섬유성 흉터의 파괴 사이의 조정은 심근 재생에 적합한 미세 환경을 보장합니다.

Importantly, angiogenesis re-establishes the communication and transportation system between the injured site and the remote reservoir of repair materials (Figure 4). A burst of cytokines (such as IL-1β, IL-6, TNF-α)98 and chemokines (such as SDF-1)99 were accumulated in the injured site, forming a new tissue injury microenvironment. These molecules serving as tissue injury signals, are released to blood activating self-repair mechanism including recruitment of inflammatory cells to eliminate the debris of dead cells, and mobilization of stem cells for myocardial regeneration.9 However, depressed angiogenesis in the chronic phase of myocardial ischemia blocks the transduction of tissue injury signaling, inhibiting the recruitment of effective self-repair mechanisms for the injured heart.

Therefore, the reconstituted conduit resulting from angiogenesis is necessary to allow the tissue injury signal molecules released and transported to remote areas, recruiting regenerative materials, such as bone marrow stem cells, to the injured site for repairing.9 Moreover, angiogenesis makes a critical contribution to the re-establishment of the communication between cardiomyocytes and surroundings.100 These enhanced crosstalk among cells and systems actively participate in the process of myocardial regeneration. Taking together, it is concluded that angiogenesis is the key to myocardial regeneration.

중요한 것은, 혈관신생은 손상된 부위와 수리 재료의 원격 저장소 사이의 통신 및 운송 시스템을 재확립한다는 것입니다.그림 4). 사이토카인(예: IL-1β, IL-6, TNF-α) 98 및 케모카인(예: SDF-1) 99 이 손상된 부위에 축적되어 새로운 조직 손상 미세 환경을 형성했습니다. 조직 손상 신호 역할을 하는 이러한 분자는 죽은 세포의 파편을 제거하기 위한 염증 세포의 동원 및 심근 재생을 위한 줄기 세포의 동원을 포함하는 혈액 활성화 자가 복구 메커니즘으로 방출됩니다. 9그러나 심근 허혈의 만성 단계에서 억제된 혈관 신생은 조직 손상 신호 전달을 차단하여 손상된 심장에 대한 효과적인 자가 복구 메커니즘의 모집을 억제합니다. 따라서 혈관 신생으로 인한 재구성 된 도관은 조직 손상 신호 분자가 방출되어 원격 지역으로 수송되고 골수 줄기 세포와 같은 재생 물질을 복구를 위해 손상된 부위로 모집하는 데 필요합니다. 9 더욱이, 혈관신생은 심근세포와 주변 환경 사이의 의사소통의 재구축에 중요한 기여를 합니다. 100세포와 시스템 간의 이러한 향상된 누화는 심근 재생 과정에 적극적으로 참여합니다. 종합하면, 혈관신생이 심근 재생의 핵심이라는 결론이 나옵니다.

Figure 4.

Angiogenesis in myocardial regeneration. The diagrammatic sketch summarizes the process of myocardial regeneration triggered by angiogenesis. As the progress of angiogenesis reactivation, the microenvironment of the injured myocardium improves. Tissue injury signals are released and transported between the injury site and the remote area. Stem cell mobilization takes place in response to the tissue injury signals and stem cell homing is guided by the signal molecules concentration gradient. Situated in the rejuvenation microenvironment, stem cells homing to the injured myocardium differentiate as well as function as a paracrine secretion to promote myocardial regeneration. (A color version of this figure is available in the online journal.)

심근 재생의 혈관 신생. 도식적 스케치는 혈관신생에 의해 촉발된 심근 재생 과정을 요약합니다. 혈관신생 재활성화가 진행됨에 따라 손상된 심근의 미세환경이 개선됩니다. 조직 손상 신호가 방출되어 손상 부위와 원격 영역 사이에서 전송됩니다. 줄기 세포 동원은 조직 손상 신호에 대한 응답으로 일어나고 줄기 세포 귀환은 신호 분자 농도 구배에 의해 안내됩니다. 다시 젊어지는 미세 환경에 위치한 손상된 심근으로 귀환하는 줄기 세포는 심근 재생을 촉진하는 측분비 분비물로서 기능할 뿐만 아니라 분화합니다. (이 그림의 컬러 버전은 온라인 저널에서 볼 수 있습니다.)

Involvement of stem cells in myocardial regeneration 심근 재생 줄기세포의 관여

Renewal of injured or dead cardiomyocytes is the fundamental process for myocardial structural and functional recovery from ischemic injury. However, due to the weak proliferative capacity of adult cardiomyocytes, it has been a difficult undertaking to promote myocardial regeneration for a long time.101,102 Stem cell therapy for ischemic heart disease has been a major focus for a better approach to promote myocardial regeneration. These approaches include intravenous injection of multipotent stem cells103 and in situ injection of induced pluripotent stem cells (iPSCs).104 However, these approaches have not achieved the expected results and remain at the animal experimental stage.

손상되거나 죽은 심근세포의 재생은 허혈성 손상으로부터 심근의 구조적 및 기능적 회복을 위한 기본적인 과정입니다. 그러나, 성체 심근세포의 약한 증식 능력으로 인해 심근 재생을 촉진하는 것은 오랫동안 어려운 일이었습니다. 101 , 102 허혈성 심장 질환에 대한 줄기 세포 치료는 심근 재생을 촉진하기 위한 더 나은 접근 방식에 대한 주요 초점이었습니다. 이러한 접근법에는 다능성 줄기 세포 103 의 정맥 주사 및 유도 만능 줄기 세포(iPSC) 주사가 포함됩니다. 104 그러나 이러한 접근법은 기대한 결과를 얻지 못하고 동물 실험 단계에 머물고 있습니다.

Mesenchymal stem cells (MSCs) intrinsically possess unique features that migrate towards the injured area and differentiate into multiple cell types.105 The homing of these cells to the injured site of the heart is limited by the depression of angiogenesis in the heart.6 In the process of angiogenesis, recruitment of bone marrow stem cells to the injured site is well documented.106 Both CD34+ bone marrow stem cells and CD34− mesenchymal stem cells have been observed to be mobilized from peripheral blood and bone marrow, respectively.106,107 Furthermore, pluripotent cells, such as CD117+ cells and CXCR4+ cells in the peripheral blood also show a migration potential after the formation of blood vessels.106 The mobilization and homing of these stem cells are all angiogenesis-dependent, relying on the reconstitution of blood vessels for action.

중간엽 줄기세포(MSC)는 본질적으로 손상된 부위로 이동하고 여러 세포 유형으로 분화하는 고유한 기능을 가지고 있습니다. 105 이러한 세포가 심장의 손상된 부위로 귀환하는 것은 심장의 혈관신생 억제에 의해 제한됩니다. 6 혈관 신생 과정에서 손상된 부위에 골수 줄기 세포를 동원하는 것은 잘 보고되어 있습니다. 106 CD34 + 골수줄기세포와 CD34- 간엽 줄기세포 모두 말초혈액과 골수에서 각각 동원되는 것으로 관찰되었다. 106 , 107 또한 CD117 + 세포 및 CXCR4 + 와 같은 만능 세포말초 혈액의 세포는 또한 혈관 형성 후 이동 가능성을 보여줍니다. 106 이러한 줄기 세포의 동원 및 귀소는 모두 혈관 신생에 의존적이며 작용을 위한 혈관 재구성에 의존합니다.

It is prospected that copper-induced angiogenesis triggers the natural regenerative capacity of the heart (Figure 4). The improvement of myocardial microenvironment through angiogenesis is greatly beneficial to stem cell homing. SDF-1/CXCR4 axis is considered as an important pathway in stem cell homing.99 SDF-1, a target gene of HIF-1, is markedly upregulated in the myocardium under ischemia, which partially contribute to CXCR4+ cells mobilization and their colonization in the infarcted area after angiogenesis.99,106

구리로 유도된 혈관신생은 심장의 자연 재생 능력을 촉발할 것으로 예상됩니다(그림 4). 혈관신생을 통한 심근 미세환경 개선은 줄기세포 귀환에 큰 도움이 됩니다. SDF-1/CXCR4 축은 줄기세포 귀환에서 중요한 경로로 간주됩니다. 99 HIF-1의 표적 유전자인 SDF-1은 허혈 하에 심근에서 현저하게 상향조절되는데, 이는 부분적으로 CXCR4 + 세포 동원 및 혈관신생 후 경색 부위에서의 이들의 집락화에 기여한다. 99 , 106

The mobilized stem cells are involved in myocardial regeneration. Stem cells administered by intravenous injection were found to differentiate into vascular endothelial cells and cardiomyocytes in the ischemic hearts.108,109 Another pro-regenerative effect of stem cells appears to be derived from their paracrine activity. Many efforts focused on exosomes, which act as paracrine mediators between MSCs and target cells.110 Isolation and injection of exosomes extracted from MSCs to LAD artery ligated mice have shown a therapeutic efficacy, improving cardiac function after myocardial infarction.111 A recent study demonstrated another mechanism for stem cell-mediated myocardial regeneration through acute immune response-induced rejuvenation of the mechanical properties of the infarcted heart, further revealing the beneficial effects of stem cells in myocardial regeneration.112

동원된 줄기세포는 심근 재생에 관여합니다. 정맥 주사로 투여한 줄기세포는 허혈성 심장에서 혈관내피세포와 심근세포로 분화되는 것으로 밝혀졌다. 108 , 109 줄기 세포의 또 다른 재생 촉진 효과는 측분비 활성에서 비롯된 것으로 보입니다. 많은 노력이 MSC와 표적 세포 사이에서 측분비 매개체로 작용하는 엑소좀에 집중되었습니다. 110 MSC에서 추출한 엑소좀을 LAD 동맥 결찰 마우스에 분리 및 주입하면 심근 경색 후 심장 기능이 개선되는 치료 효과가 나타났습니다. 111최근 연구는 경색된 심장의 기계적 특성의 급성 면역 반응 유도 되젊음(rejuvenation)을 통해 줄기 세포 매개 심근 재생을 위한 또 다른 메커니즘을 보여주었으며, 심근 재생에서 줄기 세포의 유익한 효과를 더욱 드러냈습니다. 112

Perspectives 관점

Copper promotion of angiogenesis has been extensively studied for almost 40 years since the first observation that copper was involved in intraocular vascularization in anterior chamber implants in rats in 1980.44 Copper selectively regulates HIF-1 binding to its target angiogenic genes leading to the expression‎ of copper-dependent angiogenic factors. This understanding highlights the importance of CuBPs in the process of angiogenesis, which would be an important undertaking in future studies. Angiogenesis is the key to myocardial regeneration from ischemic injury to the heart. Therefore, a simple approach to increase the availability of copper to the ischemic myocardium would become an attractive focus for clinical translation studies. This simple and straightforward approach would be greatly beneficial to human patients with ischemic heart disease.

구리가 1980년 쥐의 전방 임플란트에서 안구 내 혈관 형성에 관여한다는 최초의 관찰 이후 혈관 신생의 구리 촉진은 거의 40년 동안 광범위하게 연구되었습니다. 44구리는 표적 혈관신생 유전자에 대한 HIF-1 결합을 선택적으로 조절하여 구리 의존성 혈관신생 인자의 발현을 유도합니다. 이러한 이해는 향후 연구에서 중요한 과제가 될 혈관신생 과정에서 CuBP의 중요성을 강조합니다. 혈관신생은 심장에 대한 허혈성 손상으로 인한 심근 재생의 핵심입니다. 따라서, 허혈성 심근에 대한 구리의 가용성을 증가시키는 간단한 접근법은 임상 번역(변형?) 연구에서 매력적인 초점이 될 것입니다. 이 간단하고 직접적인 접근 방식은 허혈성 심장 질환이 있는 인간 환자에게 큰 도움이 될 것입니다.

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몇 년 전부터 제약계의 여러 신약들이 심근재생에 초점을 맞추고 있고 이 심근재생이 이뤄지는 환경과 매커니즘을 확정하고 약효가 증명되는데에 모두 혈안이 되어 있는 것 같습니다. 이 실험과정에서 일어나는 많은 비윤리적 행태와 심각한/장기적인 부작용들은 모두 대중들의 몫이되어버리네요.

이들은 일부러 만성질환자들에게 저산소환경(마스크)을 제공하고 그 환경에 만성적으로 노출되게 함으로써 인체의 고유 세포기능을 망가뜨리고 있습니다. 코로나 바이러스 감염증 원래 목적이 아니라는 생각이 듭니다.

이 논문에도 HIF-1 alpha와 엑소좀이 등장하네요.