GDF15 derived from Senescent Fibroblasts Stimulates Melanogenesis in Human Melanocytes

Abstract

BACKGROUND: Senescent fibroblasts play a role in aging pigmentation. In our previous RNA sequencing data in senescent fibroblasts, the Growth differentiation factor 15 (GDF-15) gene was found to be significantly upregulated. OBJECTIVE: We investigated the role of senescent fibroblast-derived GDF15 in the regulation of human pigmentation. METHODS: Normal human melanocytes were co-cultured with fibroblasts infected with GDF15 lenti-virus or sh-GDF15 and melanogenesis was analyzed. The pigmentation were also assessed in the ex vivo skin culture. RESULTS: The melanin contents and tyrosinase activity were significantly increased in melanocytes co-cultured with fibroblasts infected with GDF15 lenti-virus. The mRNA and protein expression levels of melanogenesis-associated proteins, microphthalmia-associated transcription factor (MITF) and tyrosinase were significantly up-regulated. The GDF15 stimulated b-catenin signaling in melanocytes. Consistently, the pigmentation were significantly reduced in melanocytes co-cultured with fibroblasts infected with sh-GDF15. The stimulatory action of GDF15 in pigmentation was further confirmed in ex vivo cultured skin. CONCLUSION: Senescent fibroblast-derived GDF15 stimulates skin pigmentation and it may play a role in the aging pigmentation.

노화 색소침착에서 노화 진피 섬유아세포는 중요한 역할을 한다. 선행연구를 통해서 노화 진피 섬유아세포에 대한 RNA 시퀀싱 데이터 분석을 통하여, GDF15 유전자의 발현증가를 확인 하였다. 본 연구에서는 노화 섬유아 세포 유래 GDF15가 색소 형성과 정에 미치는 영향을 연구하였다. 방법: 배양된 피부 세포들과 정상 사람 피부 조직에서 GDF15의 발현량을 비교한 후, 기미 환자의 피부 조직과, 노화 피부 조직에서의 GDF15 발현량을 확인하였다. 그리고 GDF15를 과발현 또는 억제시킨 섬유아세포와 멜라닌세포를 공동 배양하여 멜라닌 양, 티로시나아제 활성과 MITF, 티로시나아제의 mRNA 양과 단백질 발현량을 확인하였다. 또한 GDF15 과발현 또는 발현을 억제시킨 섬유아세포와 피부조직을 공동배양 후, 피부의 색소 변화를 확인하였다. 그리고 섬유아 세포 유래 GDF15가 멜라닌 형성에 있어서 멜라닌 색소에서의 신호전달 기전을 확인해보았다. 결과: 배양된 피부 세포들과 정상 사람 피부조직에서 GDF15의 발현량 확인을 통하여 GDF15는 주로 섬유아 세포에서 발현되었다. 기미환자의 경우 비병변 부위와 비교했을 때 병변부위의 GDF15 발현량이 증가하였으며, 노화가 될수록 피부 조직에서의 GDF15 발현량이 증가하였다. 그리고 자외선에 의해 노화된 섬유아 세포에서 GDF15의 발현량은 더욱 증가하였다. GDF15 을 과발현 시킨 섬유아세포와 공동 배양한 멜라닌 세포의 경우 멜라닌 양, 티로시나아제 활성이 증가하였으며, MITF와 티로시나아제 의 mRNA 양과 단백질 발현량이 증가하였다. 반대로 GDF15 발현을 억제시킨 섬유아세포와 공동 배양한 멜라닌 세포의 경우 멜라닌 양과 티로시나아제 활성이 감소하였으며, MITF와 티로시나아제 의 mRNA 양과 단백질 발현량이 감소하였다. 더불어 GDF15 과발현 시킨 섬유아세포와 피부조직을 공동 배양한 경우에는 피부의 색소가 증가하는 것을 확인하였으며, GDF15 발현을 억제시킨 섬유아세포와 피부조직을 공동배양 후, 피부의 색소가 감소하는 것을 확인 하였다. GDF15는 멜라닌 세포에서 b-catenin 신호 전달 기전을 통해 MITF와 티로시나아제의 발현을 증가시켜 색소형성과정에 영향을 미침을 확인하였다. 결론: 노화 섬유아 세포 유래 GDF15는 멜라닌 세포내에서 b-catenin 신호전달 기전을 통하여 멜라닌 형성을 자극하며, 노화 색소 침착에 GDF15가 중요한 역할을 할 것으로 생각된다.