산화 스트레스하에서 박쥐 및 인간 세포의 산화적 스트레스에 대한 반응성 비교와 POLG 발현 차이 분석 = Comparative Analysis of Oxidative Stress-induced Reactive Oxygen Species Responses and POLG Expression between Bat and Human Cells

국문 초록 (Abstract)

박쥐는 산화 스트레스에 대해 높은 내성을 보이며, 이는 독특한 미토콘드리아 조절 기전에 기인한 것으로 추정된다. 본 연구에서는 말굽박쥐(Rhinolophus ferrumequinum)와 인간의 DNA 중합효소 감마(DNA polymerase gamma, POLG) 아미노산 서열의 차이를 규명하고, 이에 따른 산화 스트레스 반응성을 세포수준에서 비교 분석하였다. 서열 분석 결과, 인간 POLG에만 존재하는 14개 아미노산 길이의 N-말단 삽입 서열과 종 간 총 13 개의 프롤린 치환 부위를 확인하였다. 특히, 박쥐 특이적인 533번 프롤린 잔기는 POLG의 구조적 유연성과 미토콘드리아 기능 유지에 핵심적인 역할을 할 것으로 예상된다. 기능적 검증을 위해 인간 및 박쥐 유래 폐세포를 이용하여 과산화수소(H2O2)에 노출시킨 결과, 박쥐 세포는 인간 세포 대비 유의하게 높은 생존율을 보였으며 세포 내 활성산소종(reactive oxygen species, ROS) 수준 또한 안정적으로 유지되었다. 반면, 인간 세포에서는 고농도 H2O2 처리 시 ROS 생성이 유의미하게 증가하였다. 유전자 발현 분석에서도 박쥐 세포는 고농도 H2O2 처리 조건에서POLG 발현량이 15배 이상 급증하는 강력한 유도 기전을 보인 반면, 인간 세포의 발현 증가는 미미하였다. 이러한 결과는 박쥐 POLG의 고유한 서열적 특성과 효율적인 발현 조절 기전이 미토콘드리아 안정성을 강화하여 산화 스트레스 저항성을 부여함을 시사하며, 나아가 박쥐의 뛰어난 환경 적응력과 장수성의 분자적기전을 이해하는 데 중요한 단서를 제공할 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Bats exhibit exceptional resistance to oxidative stress, implying distinct mitochondrial regulatory mechanisms. This study compared the DNA polymerase gamma (POLG) amino acid sequences and oxidative stress responses between humans and the greater horseshoe bat, Rhinolophus ferrumequinum. Sequence analysis revealed significant POLG differences, including a human-specific 14-residue N-terminal insertion and 13 sites with proline substitutions between the species. Among these, the bat-specific proline at position 533 may significantly influence the POLG structural dynamics and mitochondrial function. The functional implications were evaluated by exposing human and bat lung cells to increasing concentrations of H2O2. Bat cells maintained significantly higher viability than human cells under oxidative stress and showed relatively stable intracellular reactive oxygen species (ROS) levels under H2O2 treatments. In contrast, human cells exhibited increased ROS production at higher H2O2 concentrations. Gene expression analyses further showed strong induction of POLG in bat cells, showing a more than 15-fold increase under high oxidative conditions, whereas human cells showed only a minimal increase in expression. These findings suggest that POLG sequence features and stress-responsive regulation in bats contribute to enhanced mitochondrial stability and superior oxidative stress tolerance, providing mechanistic insight into their exceptional resilience and longevity.