카드뮴에 의해 흰 쥐 고환에서 유도된 세포사멸 과정에 미치는 항산화제의 효과 = The effects of antioxidants on cadmium-induced apoptosis in rat testis

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Cadmium is highly toxic metal in various tissues and organs. Cadmium induced apoptosis through reactive oxidative species. Previous studies showed that cadmium decreased antioxidant enzyme and induced lipid peroxidation. Furthermore cadmium induced apoptosis and necrosis characterized of DNA fragmentation, nuclear condensation and cell shrinkage. Cadmium has also been reported to induce apoptosis through difference pathway in each other cell types. However it is unclear that cadmium induced apoptosis mechanism in rat testis. Our studies investigated that cadmium the mechanism of cadmium induced apoptosis through translocation of apoptosis inducing factor (AIF) in rat testis. In addition, we checked that the effects of antioxidant such as ascorbic acid and N-acetyl-_(L)-cysteine on cadmium induced apoptosis. Our results showed that cadmium treatment induced apoptosis through TUNEL assay and DNA fragmentation in rat testis, however, the administration of antioxidant inhibited cadmium-induced apoptosis as antioxidant scavenged cadmium induced oxidative stress. Testis treated cadmium underwent mitochondriamediated pathway associated with nuclear translocation of apoptosis-inducing factor (AIF). Following PARP-1 and calpain-I activation, AIF released from mitochondria to nuclear to cause DNA damage. Our studies determined that cadmium induced apoptosis through molecular PARP-1, calpain-I activation which related AIF translocation in cadmium treated rat testis. In addition, we also found that protein expression of Bcl-2 protein family which associated mitochondria-mediated apoptosis increased in cadmium treated rat testis except Bim and Bcl-x. It is notable that ascorbic acid supplementation of antioxidant blocked the release of AIF from mitochondria including PARP-1 and calpain-1 activation which closely connected AIF translocation. Finally, these results indicated that cadmium induced mitochondria-mediated apoptosis in rat testis and supplementation with antioxidants cadmium-induced apoptosis by blocked ROS generation.

국문 초록 (Abstract)

카드뮴은 다양한 조직과 조직에 매우 독성이 강한 중금속이다. 카드뮴은 활성산소를 발생함으로써 세포에 세포사멸을 유도한다. 이전 연구에서 카드뮴은 항산화효소의 발현을 억제하고 lipid peroxidation을 유도하게 된다. 세부적으로 카드뮴에의해 유도된 세포사멸은 전형적인 DNA단편화, 핵의 응축, 세포수축과정의 특성을 띠게 된다.
지금까지 연구된 내용은 각기 세포에 따라 다른 기작과 과정을 통하여 카드뮴의 세포사멸이 진행된 결과가 보고되었다. 그러나 아직까지 흰 쥐의 고환에서 카드뮴에 의해 유도된 세포사멸과정은 명확하게 밝혀지지 않았다. 본 연구는 흰쥐 고환에서 카드뮴에 의해 유도된 세포사멸의 과정을 알아보고자 한다. 더 나아가 카드뮴에 의해 유도된 세포사멸과정에 아스코르빈산이나 N-acetyl-_(L)-cystein 과 같은 항산화 물질에의한 효과를 연구하고자 한다. 본 연구에 의하면 카드뮴에 의한 흰 쥐 고환에서 TUNEL assay와 DNA 단편화 현상을 확인하여 세포사멸이 되는 현상을 관찰할 수 있었다. 그러나 카드뮴에 의해 세포사멸현상이 유도된 그룹에 항산화제를 투여하였을 때 카드뮴에 의한 효과가 카드뮴에 의해 발생되는 활성산소의 감소시켜 세포사멸의 정도를 줄이는 것을 확인할 수 있었다. 카드뮴에 노출된 고환의 세포사멸과정을 연구한 결과 세포사멸인자인 AIF 의 미토콘드리아에서 핵으로 이동함으로써 미토콘드리아 의존적인 과정을 통하여 세포사멸과정인 진행되는 것을 볼 수 있다. 이전 연구를 통하며 AIF는 PARP-1 과 calpain-1의 활성화에 의해 미토콘드리아에서 핵으로 이동하여 DNA의 손상을 일으켜 세포사멸을 유도한다는 보고가 있다. 본 연구를 통하여 카드뮴에 의해 AIF의 이동하는 데 PARP-1과 calpain-1이 활성화되어 카드뮴에의한 세포사멸의 한 과정에 있음을 증명하였다. 미토콘드리아에 의한 세포괴사에 중요한 영향을 미치는 Bcl-2 protein family의 발현 정도를 통하여 카드뮴에 의한 세포사멸에 영향을 미치는 인자들을 확인하였다. 항산화제인 아스코르빈산은 PARP-1과 calpain-1의 활성화에도 영향을 미쳐 세포사멸에 중요한 인자인 AIF의 미토콘드리아에서 핵으로의 이동을 저해하여 카드뮴에 의한 흰 쥐 고환에서 세포사멸을 감소시키는 데 주요한 역할을 하는 것을 알 수 있다.
본 연구에서 카드뮴에 의해 흰쥐 고환에서 세포사멸과정은 활성산소에 발생에 의한 미토콘드리아에 의존적인 AIF에 이동에 의해 유도된다. 이런 카드뮴의 효과는 항산화제에 의해 활성산소를 제거함으로 인해 카드뮴에 의해 일어난 세포사멸을 줄이는데 효과가 있는 것으로 설명할 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract = 1
• 1. Introduction = 3
• 1.1 Cadmium toxicity = 3
• 1.2 Cadmium uptake = 4
• 1.3 Cadmium induced oxidative stress = 5
• 1.4 Role of cadmium induced apoptosis = 6
• 1.5 Apoptosis = 7
• 1.5.1 AIF = 9
• 1.5.2 PARP-1 = 13
• 1.5.3 Bcl-2 protein family = 13
• 1.5.4 Calpain-I = 14
• 1.6 Antioxidants = 15
• 1.6.1 Ascorbic acid = 16
• 1.6.2 N-acetyl-_(L)-cysteine = 16
• 1.6.3 Vitamin E = 17
• 2. Materials & Methods = 18
• 3. Results = 25
• PART Ⅰ The effects of ascorbic acids on cadmium-induced apoptosis in rat testis = 24
• 3.1.1 The ascorbic acids suppressed cadmium induced apoptosis does-dependently in rat testis. = 25
• 3.1.2 Cadmium induced rat testicular cell apoptosis time-dependently and ascorbic acids suppressed the cadmium-induced apoptosis. = 26
• 3.1.3 Cadmium increased oxidative stress in mitochondria of rat testicular cells and ascorbic acids reduced the cadmium-induced oxidative stress. = 27
• 3.1.4. Cadmium induce apoptosis-inducing factor (AIF) release from mitochondria to nucleus and ascorbic acids prevented the cadmium-induced AIF translocation. = 27
• 3.1.5. Cadmium-induced apoptosis was regulated by activation of PARP-1 and ascorbic acids repressed cadmium-induced PARP-1 activation in rat testis. = 29
• 3.1.6. Cadmium increased mitochondrial localization of calpain-I and ascorbic acids inhibited cadmium-induced calpain-I activation. = 30
• 3.1.7. The cadmium caused the changed the Bcl-2 protein family involved BH3 domain in rat testis. = 30
• 3.1.8. Cadmium induced translocation of Bax protein from cytosol to mitochondria and effect of ascorbic acids supplementation in rat testis. = 31
• PART Ⅱ The effects of N-acetyl-_(L)-cysteine on cadmium-induced apoptosis in rat testis = 54
• 3.2.1 The N-Acetyl-_(L)-Cysteine (NAC) suppressed cadmium-induced apoptosis in rat testis. = 55
• 3.2.2 The N-Acetyl-_(L)-Cysteine (NAC) supplementation prevented that apoptosis-inducing factor (AIF) translocated from mitochondria to nuclear in cadmium-treated rat testes. = 56
• 4. DISCUSSION = 68
• 4.1 The effects of ascorbic acids on cadmium-induced apoptosis in rat testis = 68
• 4.2 The effects of N-acetyl-L-cysteine on cadmium-induced apoptosis in rat testis = 74
• 5. Summary = 77
• 6. REFERENCE = 78
• (국문초록) = 95
• Acknowledgement = 97