Transcriptomic Insights into PM2.5-Induced Epigenetic Changes in Atopic Dogs = PM2.5 노출이 개 아토피 피부염에서 유발하는 후성유전학적 변화에 대한 전사체적 통찰

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Indoor air pollution, particularly fine particulate matter (PM2.5), is a significant environmental factor linked to the development and exacerbation of atopic dermatitis (AD) in both humans and companion animals. Given their shared living environments and biological similarities, companion dogs serve as valuable sentinel models for environmentally driven diseases from a One Health perspective. However, the precise molecular mechanisms by which PM2.5 influences disease progression remain largely uncharacterized. This study aimed to investigate the transcriptomic alterations associated with indoor PM2.5 exposure in companion dogs with and without AD, thereby elucidating the role of environmental pollutants in disease progression. Household indoor PM2.5 concentrations were measured and compared between dogs diagnosed with AD (n = 50) and healthy controls (n = 33). To evaluate disease severity, clinical and immunological assessments were performed, including the Canine Atopic Dermatitis Extent and Severity Index-04 (CADESI-04), Pruritus Visual Analog Scale (PVAS), Transepidermal Water Loss (TEWL), Immunoglobulin E (IgE), and Interleukin-4 (IL-4). Whole-blood RNA sequencing was conducted, followed by differential gene expression and KEGG pathway enrichment analyses, to identify molecular pathways affected by PM2.5 exposure. Dogs with AD were found to live in environments with significantly higher PM2.5 concentrations compared to healthy controls. Higher PM2.5 levels were positively correlated with increased clinical severity scores and elevated serum IgE concentrations. Among atopic dogs with high PM2.5 exposure, 82 differentially expressed genes including upregulated IL1RL2, ALDH1A1, FKBP5 and downregulated H1.1, GGT1 revealed enhanced inflammation, stress responses, and epigenetic dysregulation via impaired chromatin remodeling and oxidative stress defense, with pathway analysis highlighting histone modification disruptions. Concurrently, high PM2.5 exposure in healthy dogs induced 811 differentially expressed genes, including upregulated MMP9, MARCO, ALOX15 and downregulated DNM3, STC2, indicating extracellular matrix degradation, immune activation, and reduced cellular resilience. Pathways like ATP-dependent chromatin remodeling and sterile inflammation suggest systemic susceptibility to PM2.5-driven molecular alterations. This study provides the first transcriptome-level evidence linking indoor PM2.5 exposure to molecular alterations in atopic dogs. The findings suggest that PM2.5 aggravates atopic pathology not merely through inflammation but via complex cellular dysfunction involving immune, oxidative, and epigenetic pathways. These results advance the understanding of AD in dogs and underscore the value of companion dogs as sentinel species for environmentally driven diseases. From a One Health perspective, the study emphasizes the critical importance of indoor air quality for both animal and human health.

국문 초록 (Abstract)

실내 공기 오염, 특히 미세먼지(PM2.5)는 사람과 반려동물 모두에게 아토피 피부염(AD)의 발생 및 악화와 관련된 중요한 환경 요인입니다. 이들은 생활 환경을 공유하고 생물학적 유사성을 가지므로, 반려동물은 One Health 관점에서 환경 요인에 의한 질병을 연구하는 귀중한 선행 지표 모델(sentinel models) 역할을 합니다. 하지만 PM2.5가 질병 진행에 미치는 정확한 분자 기전은 아직 충분히 밝혀지지 않았습니다.
본 연구는 실내 PM2.5 노출이 아토피견 및 건강견에게 미치는 전사체 수준의 변화를 조사하여, 환경 오염 물질이 질병 진행에 미치는 영향을 규명하고자 했습니다. 이를 위해 아토피견 50마리, 건강견 33마리를 대상으로 실내 PM2.5 농도를 측정하고, 임상 지표(CADESI-04, PVAS, TEWL) 및 면역학적 매개변수(IgE, IL-4) 평가를 수행했습니다. 또한, PM2.5 노출에 따른 분자적 경로를 확인하기 위해 전혈(whole-blood) RNA 염기서열 분석 및 유전자 발현 차이, 그리고 KEGG 경로 분석을 진행했습니다.
연구 결과, 아토피견 그룹의 PM2.5 농도가 건강견 그룹보다 유의하게 높았으며, PM2.5 농도가 높을수록 임상 지표 및 혈청 IgE 농도가 증가하는 양의 상관관계를 보였습니다. PM2.5 고농도 그룹에 속한 아토피견의 전사체 분석을 통해, 염증 및 스트레스 반응을 강화하는 IL1RL2, ALDH1A1, FKBP5 같은 유전자들의 발현이 증가했고, 히스톤 변형 및 산화 스트레스 방어와 관련된 H1.1, GGT1 같은 유전자들의 발현은 감소한 것이 확인되었습니다. 이는 PM2.5가 염증 반응뿐만 아니라 후성유전학적 조절 장애를 통해 아토피 병리를 악화시킴을 시사합니다.
더불어, 건강견에서도 PM2.5 노출은 면역 활성화 및 조직 손상과 관련된 유전자(MMP9, MARCO, ALOX15 등)의 발현을 유도하고, 기본적인 세포 기능과 회복 탄력성에 필수적인 유전자(DNM3, STC2 등)의 발현을 감소시켰습니다. 이는 PM2.5가 전신적인 영향을 미쳐 염증에 대한 취약성을 높임을 보여줍니다.
결론적으로, 본 연구는 실내 PM2.5 노출이 아토피견과 건강견 모두에게 광범위한 분자적 변화를 유도한다는 최초의 전사체 수준 증거를 제공합니다. 이러한 발견은 PM2.5가 단순한 염증을 넘어 면역, 산화 스트레스, 후성유전학적 경로를 포함하는 복합적인 세포 기능 이상을 통해 아토피 병리를 악화시킴을 시사합니다. 본 연구 결과는 개의 아토피 피부염에 대한 이해를 증진시키고, 환경 요인에 의해 발생하는 질병에 대한 선행 지표로서 반려견의 가치를 부각합니다. 또한 One Health 관점에서 실내 공기 질이 동물과 인간의 건강 모두에 미치는 중대한 중요성을 강조합니다.

목차 (Table of Contents)

• List of Figures ii
• List of Tables iv
• Abstract vi
• I. INTRODUCTION 1
• II. MATERIALS AND METHODS 4
• III. RESULTS 14
• IV. DISCUSSION 39
• REFERENCES 45
• Abstract in Korean 54