RAW 264.7 세포에서 말오줌나무 추출물의 iNOS, COX-2 단백질 및 mRNA 발현 억제 효과
이진영1, 유단희1, 채정우2*
1호서대학교화장품과학과
2경기도산림환경연구소
Received : April 28, 2017 / Revised : June 5, 2017 / Accepted : June 5, 2017
서 론
최근생활환경및식생활의변화로인해암
,
당뇨병,
고혈 압,
비만및혈관성질환등의생활습관으로생긴질병이증 가하고있는추세이다.
이와더불어현대사회의급격한산 업화로인해환경오염,
스트레스증가등을포함한다양한요인으로인한면역조절이상으로유발된염증이지속됨에 따라아토피
,
천식등의만성염증질환이증가하고있다[1, 2].
염증
(inflammation)
은물리적인상처나미생물에감염되 었을때발생하는정상적인생체의방어기전의일종으로염 증작용을통하여발병요인을중화시키거나제거하고,
손상 된조직을복구시켜정상적인구조와기능을할수있게한다
[3].
염증반응은체내에서발생한산화적스트레스에의해촉진되며
,
이러한산화적스트레스는세포사멸뿐만아니라 퇴행성질환을일으키는세포의유전자발현을증가시켜염Inhibitory Effect of Sambucus sieboldiana var. pendula (Nakai) Extract on the mRNA and Protein Expression of iNOS and COX-2 in Raw 264.7 Cells
Jin-Young Lee
1, Dan-Hee Yoo
1, and Jung-Woo Chae
2*
1
Department of Cosmetic Science, Hoseo University, Chungnam 31499, Republic of Korea
2
Gyeonggi-do Forest Environment Research Institute, Osan 12408, Republic of Korea
This study examined a new functional cosmetic material possessing application possibility of Sambucus sieboldiana var. pendula (Nakai) (SS) extract. For this, we analyzed the toxic effect of the SS extract on macrophages (RAW 264.7 cells) by performing MTT assay. Results of the MTT assay showed ≥100% cell via- bility after treatment with 500 μg/ml SS extract. To determine the anti-inflammatory activity of the SS extract, we examined its inhibitory effect on lipopolysaccharide (LPS)-induced NO production in RAW 264.7 cells by performing Griess assay. Result of the Griess assay showed that the SS extract inhibited LPS- induced NO production in a concentration-dependent manner. Next, we examined the effect of the SS extract on the production of proinflammatory factors inducible NOS (iNOS) and cyclooxygenase-2 (COX-2) in LPS-stimulated RAW 264.7 cells. First, we determined the inhibitory effect of 50, 100, and 500 μg/ml SS extract on iNOS and COX-2 protein expression by performing western blot analysis, with β-actin as a posi- tive control. Results of western blotting showed that treatment with 500 μg/ml SS extract decreased iNOS and COX-2 protein expression by 31.2% and 54.7%, respectively. Next, we determined the inhibitory effect of 50, 100, and 500 μg/ml SS extract on iNOS and COX-2 mRNA expression by performing reverse transcrip- tion-polymerase chain reaction (PCR), with GAPDH as a positive control. Results of reverse transcription- PCR showed that treatment with 500 μg/ml SS extract decreased the mRNA expression of iNOS and COX-2 by 72.2% and 89%, respectively. These results suggest that the SS extract is a highly valuable natural com- pound because of its functional components and anti-inflammatory activity.
Keywords: Sambucus sieboldiana var. pendula (Nakai), anti-inflammatory, iNOS, COX-2
*Corresponding author
Tel : +82-31-8008-6658, Fax : +82-31-374-2492 E-mail: [email protected]
© 2017, The Korean Society for Microbiology and Biotechnology
증반응을개시하거나약화시킨다
.
염증반응의대표적인예 로서대식세포가염증성매개물질중하나인lipopolysaccharide (LPS)
를toll like receptor 4 (TLR4)
의heterodimerization
형성으로인식하여대식세포또는단핵세포에서세포내전 사요소인nuclear factor (NF-
κB)
의활성화를유도한다.
유도 된NF-
κB
가 핵으로 이동하여 염증성cytokine, inducible nitric oxide synthase (iNOS), cyclooxygenase-2 (COX-2)
의 유전자발현을유도한다.
염증반응의지표물질인nitric oxide (NO)
가L-arginine
으로부터NO synthase (NOS)
에의해합 성되고,
유해한자극감염및외상등에의해생긴염증이발 현되면세포막인지질로부터arachidonic acid (AA)
가유리 되어cyclooxygenase (COX)
의 작용을 거쳐prostaglandin (PG)
류의 다양한염증반응의매개체들을생성한다[4
−6].
NO
는NOS
중iNOS
에의한생성이가장많으며염증상태 에서과도한NO
생성은염증반응을촉진시키며염증매개체 의생합성을촉진하고염증을심화시켜조직의손상,
유전 자변이및신경손상등을일으킨다[7, 8].
또한AA
로부터생 성된PG
들중PGE
2는염증반응에깊이관여하며,
종양의 세포사멸을억제하고혈관생성을유도하여종양생성에기여 한다[9].
서양에서딱총나무속식물은관목이면서꽃이많이피고 열매가아름다워조경수로개발되어인기가높으며꽃과열 매는다양한용도로활용되고있다
.
국내에서자생하는인동 과딱총나무속에 속하는식물로는 말오줌나무(Sambucus sieboldiana var. pendula (Nakai))
가있으며울릉도에서만 자라는특산식물이다.
낙엽관목이며화서가크고열매가작 은것이특징이며,
말오줌나무의어린잎을나물로먹거나열 매를술로담가먹는등으로이용되고있다[10
−12].
하지만 말오줌나무의약용효과에대해서는연구가미비한실정이 다.
따라서말오줌나무의염증효과를검증하고염증관련제 품으로서이용가능성을확인하기위하여본실험에서는LPS
로처리한대식세포인RAW 264.7
세포에서말오줌나무추 출물의항염증효능을연구하였다.
재료 및 방법
시료준비
실험에사용된말오줌나무잎과줄기는울릉도에서채취 하였으며
,
채취한시료는분쇄한시료에시료중량의10
배양의
70%
에탄올을가하여실온에서24
시간침지한후상등액과침전물을분리하여동일한방법으로
3
회반복추출 하였다.
각시료추출물은여과지(Whatman No.2)
를이용하 여여과한후EYELA evaporator
로감압농축하여용매를 제거후동결건조하여−20
℃에보관하면서본실험의시료 로사용하였다.
시약 및 기기
세포배양및세포독성측정에사용된세포주는대식세 포인
RAW 264.7
은한국세포주은행(Korea Cell Line Bank)
에서구매하였으며,
세포독성측정에사용된haemacytometer (Marienfeld, Germany), 3-[4,5-dimethyl-thiazol-2-yl]-2,5- diphenyl-tetrazoliumbromide (MTT)
는Sigma Chemical Co. (USA)
에서구매하여사용하였으며, dimethyl sulfoxide (DMSO)
는Bioshop (Canada)
에서구매하였다.
항염증측정 에 사용된 시약인lipopolysaccaride (LPS), griess regent
등은Sigma Chemical Co. (USA)
에서구입하였다.
또한단 백질발현측정에사용된1
차항체인iNOS, COX-2
와2
차항 체인anti-rabbit IgG-HRP
는Santa Cruz (USA)
에서구입 하여사용하였고, mRNA
발현측정 실험에사용된cDNA polymerase kit, GoScript
TMReverse Transcription kits
는Promega (USA)
에서 구매하였다.
실험에 사용된 기기는ELISA reader (Tecan, Austria), PCR (C-100, Bio-Rad, USA), image quant LAS 4,000 (GE Healthcare Bio-Sciences AB, Sweden), CO
2incubator (Vision scientific, Korea), pH meter (Mettler-Toledo AG, Swltzerland), centrifuge (Hanil Science Industrial Co., Korea), autoclave (JS Research Inc., Korea), Davinch-Chemi
TMimager CAS- 400SM System (Davinch-K Co., Korea)
등을사용하였다.
세포 배양
세포 배양은
10% fetal bovine serum (FBS)
과1%
penicillin/streptomycin (100
U/ml)
을 첨가한Dulbeco’s modified eagle’s medium (DMEM)
배지를 사용하였으며, 37
℃, 5% CO
2incubator
에적응시켜계대배양하였다.
3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyl tetrazolium bromide (MTT) assay
에 의한 세포 생존율 측정세포생존율측정은
Carmichael
의방법[13]
에따라측정 하였다. RAW 264.7
세포를96 well plate
에5 × 10
4cells/
well
이되게0.18 ml
분주하고,
시료를농도별로조제하여0.02 ml
첨가한후37
℃, 5% CO
2incubator
에서24
시간배 양하였다.
대조군은시료와동량의증류수를첨가하여동일 한조건으로 배양하였다.
여기에5 mg/ml
농도로 제조한MTT
용액0.02 ml
를첨가하여4
시간배양한후배양액을제 거하고각well
당DMSO 0.15 ml
를가하여실온에서30
분 간반응시킨뒤ELISA reader
로540 nm
에서흡광도를측 정하였다.
세포생존율측정은시료용액의첨가군과무첨가 군의흡광도감소율로나타내었다.
세포생존율
(%) =
⎝⎛1 시료첨가군의 흡광도–---무첨가군의 흡광도-⎠⎞ 100×Nitric oxide (NO) 생성 억제 활성 측정
RAW 264.7 cell
로부터생성된NO
의양은Green
등의방 법[14]
에따라griess
시약을이용하여세포배양액중에존 재하는NO
2의 형태로 측정하였다. 6 well plate
에RAW 264.7 cell
을1 × 10
5cell/well
로 분주하였다. 37
℃CO
2incubator
에서24
시간배양한이후1× PBS
로2
번세척한다. Lipopolysaccharide (LPS) 10
μg/ml
을normal
을제외하고 처리한후2
시간이후농도별로조제한시료용액을처리하 여24
시간배양한후상등액을얻은후,
동량의griess
시약 을첨가하여96 well plate
에서10
분반응시킨후540 nm
에 서의흡광도를측정하였다. NO
억제활성측정은시료첨가 군과무첨가군의흡광도감소율로나타내었다.
NO
억제능(%) =
Western blot
을 통한 단백질 발현 측정iNOS, COX-2
의 활성을확인하기 위하여cell line RAW 264.7
을100 mm tissue culture dish
에1 × 10
6cells/well
로cell seeding
후24
시간동안배양하여세포룰안정화시 켰다.
배지를제거하여LPS
를1
μg/ml
농도로2
시간처리 해준후추출물을농도별로처리한 배지로24
−48
시간 배 양한 후다시배지를제거하고PBS
로2
번세척해주었다. Radio-immunoprecipitation assay (RIPA) buffer 10 ml
에complete mini 1 tab
을가한100
μl
로 용해해서4
℃에서16,110 ×g
에서20
분간원심분리하였다.
원심분리하여얻은 상층액은BCA protein assay kit
를사용하여정량하여20
μl
의단백질을
10% SDS-PAGE
사에서전기영동으로분리하였다
.
분리된단백질은transfer
기기(BIORAD)
를이용하여polyvinylidene fluoride (PVDF) membrane
에옮긴다음실 온에서1
시간blocking buffer (5% skim milk in TBST)
에 서배양시켰다. iNOS, COX-2,
β-actin
의1
차항체를희석하 여4
℃에서overnight
한 다음,
다시10
분 간격으로tris- buffered saline and tween 20 (TBST)
로3
회 세척하였다. iNOS
와COX-2
의2
차항체는anti-rabbit,
β-actin
의2
차항 체는anti-mouse
를사용하고1:1,000
으로희석하여실온에 서2
시간배양하였다. 3
회세척한후LAS 4,000
기기를이 용하여밴드확인및정량하였다.
Total RNA
분리 및 cDNA 합성세포를
100 mm culture dish
에1 × 10
6cells/well
로cell seeding
한뒤24
시간동안배양한후LPS
를1
μg/ml
농도로2
시간처리해준후추출물을농도별로처리하여24
시간동안배양하였다
.
배지상등액을제거한후trizol lysis buffer
를well
에1 ml
씩분주하여세포를lysis
한 후chloroform
200
μl
를분주하여20
초간 위아래로흔들어주었다.
그후16,110 ×g
에서20
분간원심분리하여상층액을isopropanol 500
μl
가들어있는튜브에옮겨섞었다.
다시16,110 ×g
에서20
분간원심분리하였고,
그상층액을제거한후75% EtOH- diethylpyrocarbonate water
를각튜브에1 ml
씩분주하여16,110 ×g
에서5
분간원심분리한뒤상층액을제거한뒤실 온에서 건조시켰다. Diethylpyrocarbonate (DEPC)-treated water
를50
μl
씩 분주하여녹인 후96 well plate
에RNA 5
μl
와멸균수195
μl
를첨가하여260 nm, 280 nm
에서각각 흡광도를측정하여total RNA
양을측정하였다. Oligo (dT) 15 primer (500
μg/ml) 1
μl,
추출한RNA (2
μg)
와nuclease free water
로10
μl
를 맞추고75
℃에서5
분간 반응시킨 후5×
reaction buffer, MgCl
2, PCR nucleotide mix, rnasin inhibitor, reverse transcriptase, nuclease free water
를첨 가하여25
℃에서5
분, 42
℃에서60
분, 70
℃에서15
분간반 응시켜cDNA
를합성시켰다.
Reverse transcription-polymerase chain reaction iNOS, COX-2
의mRNA
발현을알아보기위하여PCR
을실 시하였다.
실험에사용한primer sequences
는Table 1
과같 다. PCR tube
에5× green GoTaq flexi buffer, MgCl
2, PCR nucleotide mix (10 mM), primer, GoTaq DNA polymerase, nuclease free water,
합성한cDNA
를첨가하여잘섞은후PCR
을실행하였다. GAPDH, iNOS
는96
℃에서2
분, 96
℃에 서10
초, 64
℃에서30
초, 72
℃에서1
분, 72
℃에서10
분(40 cycles), COX-2
는96
℃에서2
분, 94
℃에서10
초, 51
℃에서30
초, 72
℃에서1
분, 72
℃에서10
분(40 cycles)
을 하였다. PCR
로 합성시킨 후0.002% ethidium bromide
를 첨가한1.5% agarose gel
을100 V
에서40
분간전기영동한후LAS
4,000
을이용하여밴드를확인하여분석정량하였다.
결과 및 고찰
MTT assay에 의한 세포 생존율 측정
세포생존율을확인하기위하여진행한
3-(4,5-dimethylthiazol- 2-yl)2,5-diphenyltetrazolium bromide (MTT)
는 담황색의 1 시료첨가군의 흡광도–---무첨가군의 흡광도-⎝ ⎠
⎛ ⎞ 100×
Table 1. Sequence of the primers used for RT-PCR.
Gene Primer Sequence (5’ → 3’)
GAPDH Sense TGA AGG TCG GTG TGA ACG GAT TTG GC Anti-sense CAT GTA GGC CAT GAG GTC CAC CAC COX-2 Sense GGA GAG ACT ATC AAG ATA GT
Anti-sense ATG GTC AGT AGA CTT TTA CA
iNOS Sense AAT GGC AAC ATC AGG TCG GCC ATC ACT
Anti-sense GCT GTG TGT CAC AGA AGT CTC GAA CTC
기질로생세포의미토콘드리아내의호흡연쇄효소에의해 환원되어암적색의
formazan
을생성한다.
죽은세포에서는반응이일어나지않고생세포에서생성된
formazan
의생성량을측정하는시험법이다
[15].
말오줌나무 추출물의 세포생존율을 대식세포인
RAW 264.7
에서MTT assay
로확인한결과Fig. 1
과같이나타내 었다.
말오줌나무추출물은500
μg/ml
의농도에서108%
의 높은 세포 생존율을 확인할 수 있었으며,
따라서 이하의western blot
과reverse transcription-polymerase chain reaction (RT-PCR)
의실험은높은생존율을보인500
μg/ml
의농도이하에서실험을진행하였다.
Nitric oxide (NO) 저해활성 측정
활성산소중하나이며염증유발에중요한역할을하는것 으로알려진
NO
생성에대한말오줌나무추출물의효과를 알아보았다.
그결과Fig. 2
와같이LPS
처리군은LPS
무처 리군에비해높은NO
발현량을나타내었으며말오줌나무 추출물을처리한군은NO
발현을감소시키는것을확인할 수있었다. 1,000
μg/ml
의농도에서29.0%
의저해율을나타 낸것을확인하였으며, RAW 264.7
세포에서염증발현을억 제시키는것에말오줌나무추출물이효과가있음을확인할 수있었다.
iNOS 및 COX-2 단백질 및 mRNA 발현 억제 효과 측정
염증반응이일어나면염증매개물질인nitric oxide (NO), prostaglandin E
2(PGE
2),
염증성cytokine
등이분비된다.
그 중 염증반응의 지표물질인NO
는L-arginine
에서NO
synthase (NOS)
에 의해 합성되며, NOS
에는endothelial NOS, neuronal NOS, inducible NOS (iNOS)
의세가지형 태가존재한다.
이들중iNOS
에의한NO
형성은병리학적 으로중요한역할을한다[16].
다른 염증인자 중 하나인
cyclooxygenase (COX)
는arachidonic acid
를prostaglandins
로 전환하는 효소로COX-1
과COX-2
가존재하며,
이는다양한세포에서다른경향을나타낸다
. COX-1
은정상적인세포에서정상적인생체기능을 하지만
COX-2
는 염증반응 부위에서 발현이 된다.
COX-2
에의해생성되는PGE
2는통증,
발열등에관여하는염 증매개체로서염증반응,
면역반응에관여하고혈관신생을촉진시키는것에깊이관여하고있는것으로알려져있다
[17].
본연구에서는염증발현인자인
iNOS
와COX-2
의단백질 발현억제효과를측정하기위해western blot
을통해실험 하였다.
대식세포인RAW 264.7
에말오줌나무추출물을50, 100, 500
μg/ml
농도별로처리하여24
시간뒤에단백질발 현억제효과를측정한결과를Fig. 3
에나타내었다.
이때,
세포의종류나환경에서도발현정도의차이가거의없는house keeping gene
인β-actin
을positive control
로사용하 였다.
그결과Fig. 3
과같이말오줌나무추출물을50, 100, 500
μg/ml
의농도로처리한RAW 264.7
세포에서LPS
에의 해증가된iNOS
와COX-2
단백질발현양이농도가높아짐 에따라억제됨을확인하였으며, 500
μg/ml
에서각각31%, 54%
의효과를나타내었다.
또한대조군인비타민C
와비교Fig. 1. Cell viability of extract from Sambucus sieboldiana var.
pendula (Nakai) on macrophage cell (RAW 264.7). After RAW 264.7 cells (5 × 10
4cells) were started in medium for 24 h the cells were treated with 5, 10, 50, 100, 500 and 1,000 µg/ml of extracted Sambucus sieboldiana var. pendula (Nakai) for 24 h.
Result are means ± S.D. of triplicate data (Significant as com- pared to control. *p < 0.05, **p < 0.01).
Fig. 2. Effect of Sambucus sieboldiana var. pendula (Nakai) on production of nitric oxide in RAW 264.7 cell. Effect of 70%
ethanol extracts of Sambucus sieboldiana var. pendula (Nakai) on NO production in LPS-induced RAW 264.7 cells. RAW 264.7 cells (1 × 10
5cells) were treated with Sambucus sieboldiana var.
pendula (Nakai) 70% ethanol extract and LPS (1 µg/ml) for 24 h.
Result are means ± S.D. of triplicate data (Significant as com-
pared to control. *p < 0.05, **p < 0.01).
하였을때대조군보다감소하는것으로보아단백질발현억 제효과가있음을확인할수있었다
.
또한
iNOS, COX-2
의mRNA
발현억제효과를측정하기 위하여reverse transcription-PCR
을이용하여확인하였다.
이때세포의여러조건에서도그발현정도의차이가거의 없는house keeping gene
인GAPDH
를positive control
로사용하였다
.
말오줌나무추출물을50, 100, 500
μg/ml
농도 별로 처리한 후LPS
에 의해 증가된iNOS
와COX-2
의mRNA
발현양의감소를측정하여Fig. 4
과같이나타내었다
. Fig. 4
에서보는바와같이mRNA
발현이농도가높아 짐에따라억제되는것을확인하였고,
대조군인비타민C
와 비교하였을때iNOS
는대조군에비해서는감소하지않았지Fig. 3. iNOS, COX-2 protein expression rate of extract from
Sambucus sieboldiana var. pendula (Nakai) on macrophage cell (RAW 264.7). (A) iNOS protein expression rate of Sambucus sieboldiana var. pendula (Nakai) extract. (B) COX-2 protein expres- sion rate of Sambucus sieboldiana var. pendula (Nakai) extract.
After RAW 264.7 cells (1 × 10
6cells) were started in serum free medium for 1 h the cells were treated with 50, 150 and 500 µg/ml of extract of Sambucus sieboldiana var. pendula (Nakai) for 24 h.
Each values represents mean ± S.D. of three individual experi- ments (Significant as compared to control. *p < 0.05, **p < 0.01).
Fig. 4. iNOS, COX-2 mRNA expression rate of extract from Sambucus sieboldiana var. pendula (Nakai) on macrophage cell (RAW 264.7). (A) iNOS mRNA expression rate of Sambucus sieboldiana var. pendula (Nakai) extract. (B) COX-2 mRNA expres- sion rate of Sambucus sieboldiana var. pendula (Nakai) extract.
After RAW 264.7 cells (1 × 10
6cells) were started in serum free medium for 1 h the cells were treated with 50, 150 and 500 µg/ml of extract of Sambucus sieboldiana var. pendula (Nakai) for 24 h.
Each values represents mean ± S.D. of three individual experi-
ments (Significant as compared to control. *p < 0.05, **p < 0.01).
만유사한결과를나타냈고
COX-2
는대조군에비해현저히 감소한결과를나타내어iNOS
와COX-2
에서유의한억제효 과를확인하였다.
Kim
등[18]
의말오줌나무추출물의항염증활성에대한 과거연구에서50
μg/ml
농도에서말오줌나무추출물은NO
생성을46.75%
억제시켰다.
본연구결과에서말오줌나무추 출물을저농도로처리하였을때iNOS
단백질의발현이소 폭억제된것과유사하다고판단되며,
말오줌나무의항염증 활성에대하여더많은연구가진행된다면기능성화장품소 재로서의활용가능성이높아질것이라고판단된다.
요 약
본연구는새로운기능성화장품소재를개발하기위해천 연물재료인말오줌나무추출물활용가능성연구하였다
.
이 목적을이루기위하여,
말오줌나무의세포독성효과를MTT assay
를통해확인한결과, 500
μg/ml
농도에서100%
이상 의세포생존율을나타내었다.
항염증활성을효과적으로확 인하기위하여, LPS
로유도된대식세포내NO
생산을억제 하는효과를griess
의방법으로조사하였다.
그결과NO
의 생성이말오줌나무추출물의농도의존적으로저해되었음을 확인하였다.
말오줌나무추출물을LPS
로유도된RAW 264.7
대식세포에서전염증성인자(iNOS, COX-2)
들을생성하여 측정하였다.
그후, iNOS
와COX-2
의단백질발현억제효 과를측정하기위해50, 100, 500
μg/ml
농도에서western blot
을수행하였고,
β-actin
를양성대조군으로사용하였다. iNOS
와COX-2
의mRNA
발현억제효과를측정하기위해50, 100, 500
μg/ml
농도에서RT-PCR
을수행하였고,
양성 대조군으로GAPDH
를 사용하였다.
결과적으로, western blot
으로iNOS
와COX-2
의단백질발현억제효과를측정한 결과500
μg/ml
농도에서각각31.2%, 54.7%
의감소효과를 보였으며, iNOS, COX-2
의mRNA
발현 억제 효과를RT- PCR
로측정한결과500
μg/ml
농도에서각각72.2%, 89%
정도로감소하였다