The Role of Spermidine as a Metabolite of the Skin Microbiome in Restoring UV-Damaged Human Skin Fibroblasts

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The Role of Spermidine as a Metabolite of the Skin Microbiome in Restoring UV-Damaged Human Skin Fibroblasts Microbiology and Biotechnology Major Department of Microbiology General Graduate School Dankook University Dong-hyeon Heo Advisor : Professor Kyudong Han, Ph. D. Microorganism metabolites produced by the skin microbiota can greatly influence skin health by affecting factors such as inflammation, barrier function, and microbial balance. Among them, spermidine and orotic acid secreted by Streptococcus and Epidermidibacterium keratini, respectively, are known that contribute to restoring skin structure and barrier function through the upregulation of collagen and lipid synthesis in aging cells. The utilization of metabolites emphasizes the importance of the skin microbiome in maintaining skin health and preventing age-related changes. To explore the anti-aging effects of orotic acid and spermidine treatment on UV-irradiated fibroblasts, we compare the gene expressions of UV-irradiated human dermal fibroblast treated with orotic acid with spermidine using transcriptome sequencing (RNA-seq) analysis. We first identified dramatic transcriptional changes in UV-irradiated dermal fibroblast cells, treated with orotic acid and spermidine, respectively. Down-regulated genes in spermidine treatment are associated with UV-induced damage, inflammation, and oxidative stress, and up-regulated genes are involved in collagen synthesis, extracellular matrix remodeling and cellular anti-aging. Spermidine also has a positive effect on genes involved in skin barrier function, immune regulation, and DNA repair pathways. We observed an increase in the expression of genes in the collagen and laminin families, which are indicative of skin formation and maintenance. This suggests that these substances play a role in regulating the skin environment. Understanding the effectiveness of microbial-derived biosynthetic substances provides valuable insights for targeted therapeutic strategies against UV-induced skin damage and overall skin aging.

국문 초록 (Abstract)

미생물이 생성하는 대사산물은 염증, 장벽 기능, 미생물 균형 등 다양한 요인에 영향을 미치며, 피부 건강에 중요한 역할을 한다. 그중 Streptococcus 가 분비하는 spermidine 과 Epidermidibacterium keratini 가 생성하는 orotic acid 는 노화된 세포에서 콜라겐 및 지질 합성을 상향 조절하여 피부 구조와 장벽 기능 회복에 기여하는 것으로 알려져 있다. 이러한 대사물질은 피부 건강을 유지하고, 노화와 관련된 변화를 예방하는 데 있어 피부 미생물의 중요성을 강조한다. 본 연구에서는 orotic acid 와 spermidine 의 항노화 효과를 평가하기 위해 자외선에 조사된 인간 피부 섬유아세포를 대상으로 이 두 물질을 처리하고, RNA 시퀀싱(RNA-seq)을 통해 유전자 발현을 분석하였다. 그 결과, 자외선 조사 섬유아세포에 spermdine 을 처리했을 때, 극적인 전사 변화를 확인할 수 있었다. Spermidine 처리로 하향 조절된 유전자는 자외선 손상, 염증, 산화 스트레스와 관련이 있었으며, 상향 조절된 유전자는 콜라겐 합성, 세포 외 기질 리모델링, 그리고 세포 노화 방지에 관여하는 것으로 나타났다. 또한, spermidine 은 피부 장벽 기능, 면역 조절, 그리고 DNA 복구 경로와 관련된 유전자에도 긍정적인 영향을 미치는 것으로 나타났다. 특히, 피부 형성과 유지에 중요한 콜라겐 및 라미닌 계열 유전자의 발현 증가가 관찰되었다. 따라서, 이 연구 결과는 미생물 대사산물이 피부 환경을 조절하는 역할을 한다는 점을 시사하며, 자외선에 의한 피부 손상 및 전반적인 피부 노화에 대한 표적 치료 전략 개발에 귀중한 통찰력을 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. Introduction 1
• Ⅱ. Materials and Methods 4
• Ⅲ. Results 8
• Ⅳ. Discussion 27
• Supplements 30
• References 31