본 연구에서는 C2C12근육 세포에서 IGF-I이 지방산 저장과 사용에 영향을 미치는 FATP1의 mRNA 및 단백질 발현에 미치는 영향에 대해 알아보았다. 그 결과 IGF-I이 FATP1의 단백질과 mRNA 발현을 유의성 있게 조절하였음을 알 수 있었다. 이는 골격근에서 IGF-I이 근육 관련 유전자들의 발현을 조절하여 근부피 유지 및 증대에 중심적인 역할을 한다는 기존의 연구 패턴들에서 벗어나, IGF-I이 골격근 세포의 분화에 있어 지방산의 수송을 담당하는 FATP1의 발현에도 영향을 미친다는 사실을 증명하였다는데 의의가 있다고 사료된다. 향후 IGF-I에 의한 FATP1의 지방산 저장의 수준과 산화 과정에 있어 상호작용하는 기타 매개체들과의 관계에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다.
본 연구에서는 C2C12 근육 세포에서 IGF-I이 지방산 저장과 사용에 영향을 미치는 FATP1의 mRNA 및 단백질 발현에 미치는 영향에 대해 알아보았다. 그 결과 IGF-I이 FATP1의 단백질과 mRNA 발현을 유의성 있게 조절하였음을 알 수 있었다. 이는 골격근에서 IGF-I이 근육 관련 유전자들의 발현을 조절하여 근부피 유지 및 증대에 중심적인 역할을 한다는 기존의 연구 패턴들에서 벗어나, IGF-I이 골격근 세포의 분화에 있어 지방산의 수송을 담당하는 FATP1의 발현에도 영향을 미친다는 사실을 증명하였다는데 의의가 있다고 사료된다. 향후 IGF-I에 의한 FATP1의 지방산 저장의 수준과 산화 과정에 있어 상호작용하는 기타 매개체들과의 관계에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다.
Fatty acid transporter protein 1 (FATP1) is highly expressed in skeletal muscle and modulates fatty acid uptake and metabolism. However, the influence of insulin-like growth factor-I (IGF-I), a master regulator of skeletal muscle cells, on FATP1 in skeletal muscle cells has not been demonstrated. To...
Fatty acid transporter protein 1 (FATP1) is highly expressed in skeletal muscle and modulates fatty acid uptake and metabolism. However, the influence of insulin-like growth factor-I (IGF-I), a master regulator of skeletal muscle cells, on FATP1 in skeletal muscle cells has not been demonstrated. To investigate the effect of IGF-I on FATP1 and the expression of the IGFBP5 protein, differentiated C2C12 murine skeletal muscle cells were treated with 20 ng/ml of IGF-I at different time points. The results showed that IGF-I increased FATP1 and IGFBP5 protein expression in a time-dependent manner. To determine whether this induction of FATP1 by the IGF-I treatment was regulated pretranslationally, the mRNA level of FATP1 was measured by real-time quantitative PCR. The IGF-I treatment resulted in very rapid induction of the FATP1 mRNA transcript in C2C12 myotubes. FATP1 mRNA increased 169% and 132% after 24 and 48 h of the IGF-I treatment, respectively, and it returned to control levels after 72 h of the treatment, suggesting that the FATP1 gene is regulated pretranslationally by IGF-I in skeletal muscle cells. This is the first evidence that IGF-I can regulate the expression of FATP1. In conclusion, IGF-I induced rapid transcriptional modification of the FATP1 gene in C2C12 skeletal muscle cells and had modulating effects on fatty acid uptake proteins and oxidative proteins.
Fatty acid transporter protein 1 (FATP1) is highly expressed in skeletal muscle and modulates fatty acid uptake and metabolism. However, the influence of insulin-like growth factor-I (IGF-I), a master regulator of skeletal muscle cells, on FATP1 in skeletal muscle cells has not been demonstrated. To investigate the effect of IGF-I on FATP1 and the expression of the IGFBP5 protein, differentiated C2C12 murine skeletal muscle cells were treated with 20 ng/ml of IGF-I at different time points. The results showed that IGF-I increased FATP1 and IGFBP5 protein expression in a time-dependent manner. To determine whether this induction of FATP1 by the IGF-I treatment was regulated pretranslationally, the mRNA level of FATP1 was measured by real-time quantitative PCR. The IGF-I treatment resulted in very rapid induction of the FATP1 mRNA transcript in C2C12 myotubes. FATP1 mRNA increased 169% and 132% after 24 and 48 h of the IGF-I treatment, respectively, and it returned to control levels after 72 h of the treatment, suggesting that the FATP1 gene is regulated pretranslationally by IGF-I in skeletal muscle cells. This is the first evidence that IGF-I can regulate the expression of FATP1. In conclusion, IGF-I induced rapid transcriptional modification of the FATP1 gene in C2C12 skeletal muscle cells and had modulating effects on fatty acid uptake proteins and oxidative proteins.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
이와 같이 근육조직 및 세포에서 IGF-I에 의한 근육관련 유전자 발현뿐만 아니라 근육 대사 체계에 미치는 영향에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있으나, 골격근 에너지 대사에 필수적인 역할을 하는 지방 대사에 있어 IGF-I이 어떠한 영향을 미치는가에 관한 이해는 매우 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 골격근 세포에서 지방산의 저장과 산화를 통한 에너지 대사의 균형을 유지하는데 있어 중심적인 역할을 하는 FATP1의 발현 조절에 IGF-I이 미치는 영향을 알아보고자 하였다.
관련 연구에 따르면 단발성 고강도 운동은 근막(sarcolemma)에서의 FAT/CD36 함량을 증가시키고, 장시간 지구성 트레이닝은 근막의 FABPpm의 함량을 증가시켰다고 보고하고 있다[10, 12, 14, 20, 28]. 이러한 결과들을 바탕으로 본 연구에서는 골격근의 성장 및 분화, 그리고 인슐린 신호 체계와 유사하게 조절되며 대사에 있어 중요한 역할을 하는 IGF-I이 지방산 수송 및 산화에 영향을 미치는 수송체 단백질 중 골격근에서 높은 발현을 나타내는 FATP1 유전자 및 단백질 발현에 어떠한 영향을 미치는지 알아보고자 하였다.
제안 방법
나아가 근원세포가 다핵의 myotube를 형성하며 골격근 세포로 분화하는 과정에서 IGF-I이 FATP1과 IGFBP 단백질 발현에 어떠한 영향을 미치는지 관찰하기 위해 24, 48, 72, 그리고 96시간 동안 분화배지로 분화를 유도하고, 분화를 유도하는 과정에서 20 ng/ml의 IGF-I을 처리하여 면역 형광 염색(immunocytochemistry)을 실시 하였다. Fig.
05). 이후 시간 별(24, 48, 72, 96 시간)로 분화배지와, IGF-I 20 ng/ml를 함유한 분화배지를 각각 처리하여 IGF-I이 FATP1의 mRNA 발현에 미치는 영향을 알아보았다. 그 결과 Fig.
대상 데이터
본 연구에서 사용한 C2C12 골격근 세포는 American Type of Culture Collection (ATCC, USA)으로부터 구입하였으며, 10% fetal bovine serum (FBS) (Hyclone, Logan, UT), 100 U/ml의 penicillin G, 100 μg/ml의 streptomycin sulfate (Welgene, KOREA)를 함유하고 있는 Dulbecco’s modified Eagle’s medium (DMEM) (Welgene, KOREA)으로 37℃, 5% CO2 의 환경에서 배양하였다. 세포는 35 mm plate에 2.
데이터처리
IGF-I 처리에 따른 C2C12 세포에서의 FATP1 유전자 mRNA 발현의 유의성 검증을 위하여 SPSS 18.0 for window를 이용하여 일원배치분산분석(one-way ANOVA)을 실시하였다(p<0.05).
이론/모형
FATP1의 mRNA 발현을 측정하기 위하여 double-stranded DNA dye인 SYBR Green PCR master mix (Finnzyme, Espoo, Finland)를 이용하여 real-time RT-PCR (ABI PRISM 7700 system) (Applied Biosystems Inc., Foster City, CA)을 실시하였다. 사용한 primer sequence 는 Table 1에 제시하였으며, 모든 Primer는 코스모사(Cosmo Genetech, KOREA)에서 제작 및 구입하여 사용하였다.
RNA 추출은 TRIzol 용액(Invitrogen Life Technologies, Carlsbad, CA)을 이용한 phenol-chloroform 기법을 사용하였다. TRIzol 용액을 well 당 각 600 μl 씩 넣고, 150 μl의 chloroform을 처리하여 섞어준 뒤 4℃, 13,000 rpm에서 15 분간 원심분리를 하였다.
성능/효과
1A에 제시된 바와 같이 FATP1의 mRNA 발현이 시간 의존적으로 증가하였음을 알 수 있었다. myotube로의 분화를 유도한지 24시간이 지난 상태를 기준으로 48시간 동안 분화를 유도하였을 때 FATP1의 mRNA 발현이 약 5%가량 증가하였으나 통계적으로 유의하지 않았으며, 72시간이 지나자 약 63%(p<0.05), 그리고 96시간이 경과하였을 때는 약 114% 유의하게 증가하였다(p<0.05). 이후 시간 별(24, 48, 72, 96 시간)로 분화배지와, IGF-I 20 ng/ml를 함유한 분화배지를 각각 처리하여 IGF-I이 FATP1의 mRNA 발현에 미치는 영향을 알아보았다.
두 번째로, 본 연구에서는 IGF-I이 C2C12 골격근 세포의 분화를 촉진하는 과정에서 FATP1 유전자의 mRNA 발현과 단백질 발현을 조절하는 것으로 확인되었다. FATP1이 인슐린의 자극에 의해 발현이 조절된다는 선행 연구 결과들에 미루어 볼 때, 본 연구에서 IGF-I에 의한 FATP1 발현의 변화는 IGF-I이 인슐린의 작용과 깊은 상관관계 및 유사한 신호전달체계를 가지기 때문일 것이라고 설명할 수 있을 것이다.
근육 조직에서 지방산을 에너지원으로 저장하고 산화시키는 메커니즘에 대한 연구가 활발했던 반면 근육 세포가 분화하는 과정에 있어 대사적 측면에 대한 이해, 더욱이 지방산수송에 관여하는 수송체에 관한 연구는 전무하였던 것이 사실이다. 따라서 본 연구에서 C2C12 세포의 myotube로의 분화가 FATP1의 발현을 촉진시켰다는 것을 처음으로 관찰 한 점에 의의가 있겠다.
이와 같이 C2C12 골격근 세포의 분화 과정에 있어 IGF-I은 IGFBP5 단백질의 발현을 증가시킴과 동시에 FATP1 단백질의 발현을 증가시켰음을 알 수 있었다.
첫 번째로 본 연구에서는 C2C12 골격근 세포의 분화과정에서 FATP1 유전자의 mRNA 발현이 보다 성숙한 myotube를 형성함에 따라 더욱 증가하였음을 확인하였다. 지금까지 C2C12 골격근 세포의 myotube 형성과 관련된 선행 연구들은 대부분 세포주기의 변화, 근육 관련 전사 인자들의 발현 변화, 이로 인한 근비대와 근위축 기전을 규명하는데 집중되어 왔다.
후속연구
이러한 선행 연구들은 비록 FATP1의 발현 증가가 지방산 흡수 및 저장을 촉진시킨다 할지라도, 이러한 현상이 in vivo에서는 다양한 다른 단백질들과의 상호 작용을 통해 대사산물을 더욱 축적하거나, 오히려 산화를 증가시킬 수도 있을 것이라는 추측을 가능하게 한다. 따라서 이러한 맥락에서 IGF-I에 의한 FATP1의 발현 증가가 지방산의 저장을 증가시키는데 있어, 그리고 산화시키는데 있어 조력자의 역할을 하는 기타 매개체들과 어떠한 상호작용을 하는가에 대한 연구가 함께 진행되어야 할 것이다.
실제로 심근세포, 골격근 세포에서 인슐린의 결핍에 의해 IGF-I의 mRNA가 현저히 감소되었음이 보고된바 있다[5]. 또한, IGF-I이 골격근에 중요한 영향을 미치는 인자임이 잘 밝혀져 있다는 점에서 IGF-I이 FATP1의 발현을 조절하여 지방 대사를 촉진하고, 이러한 과정을 통해 근육 세포의 성장 및 발달에 역할을 할 수 있을 것이라는 추측도 가능 할 것이다. 비슷한 예로, IGF-I이 혈관의 형성과 혈압 조절 능력 등을 가지는데 있어, 다양한 대사 관련 인자들이 영향을 미친다는 연구들도 이루어진 바 있다[3, 5, 21].
본 연구에서는 IGF-I이 C2C12 myotube에서 FATP1 단백질의 발현을 증가시켰음은 관찰 할 수 있었으나, 기존에 알려진 대로 FATP1의 활성화 기전인 세포막으로의 이동을 확인하지는 못하였다. 본래 FATP1 단백질은 세포 내에 위치하다가 활성화되면 세포막으로 이동하며[9, 29], 이러한 단백질의 이동은 지방산의 저장을 증가 시킨다고 알려져 있다.
위와 같은 결과로 미루어 종합적으로 논의되어야 할 부분은, 과연 IGF-I이 근육세포에서 FATP1의 발현을 증가시킴으로써 지방산의 저장과 동시에 산화 능력을 증가시켰는지를 확인해 볼 필요가 있다는 것이다. 최근 연구에서 FATP1의 발현 패턴은 골격근에서의 산화 능력을 결정한다고 보고하였는데, FATP1의 발현이 증가하자 지방산의 저장과 산화 능력이 평행하게 증가하였다고 보고하였다[12, 20].
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
IGF-I의 특징은 무엇인가?
IGF-I (insulin-like growth factor-I)은 인슐린과의 구조적 유사성 때문에 인슐린 유사 성장인자로도 불리며, 특히 골격근 세포의 성장 및 분화(differentiation)에 매우 중요한 매개체로 알려져 있다[1, 6]. 골격근에서 IGF-I의 역할에 관한 연구들은 주로 근육 관련 전사 인자(transcription factor)들의 발현을 증가시키고, 근단백질 합성을 증가시켜 골격근의 발달, 성장, 회복, 그리고 근 부피 유지 및 증대에 필수적인 요소임을 밝혀내는데 집중되어왔다.
골격근 세포가 LCFA 수준의 균형을 적정 수준으로 유지하는 것이 매우 중요한 이유는 무엇인가?
골격근에서 LCFA의 저장량이 증가하고, 이를 에너지원으로 소비하는 정도가 손상되는 불균형한 대사 시스템이 지속될 경우 세포 내에서는 지방산 대사산물들(i.e., fatty acyl-CoA, diacylglycerol)의 축적이 일어나고[14, 22], 그 결과 인슐린 신호체계가 손상되어 인슐린 저항성이 야기된다[26, 27]. 따라서 골격근 세포가 LCFA 수준의 균형을 적정 수준으로 유지하는 것은 매우 중요한 능력이며, 이러한 LCFA의 저장과 사용 정도의 균형을 조절하는데 중심적인 역할을 하는 것이 지방산 수송체(fatty acid transporter proteins, FATPs)이다[2, 25].
인슐린 저항성을 유도하는 원인 중 주요 원인은 무엇인가?
비만과, 제 2형 당뇨병으로 대표되는 대사증후군(metabolic syndrome)은 고인슐린혈증(hyperinsulinemia), 고지혈증(hyperglycemia), 이상지혈증(dyslipidemia), 고혈압(hypertension)등을 함께 포괄하는 개념으로, 위와 같은 질병들에 있어 공통적으로 나타나는 전형적 특징이 인슐린 저항성(insulin resistance)이다[23]. 인슐린 저항성을 유도하는 원인에는 여러 기전이 존재하는 것으로 알려져 있으며, 그 중 혈장내 긴사슬지방산(long-chain fatty acid, LCFA) 농도의 증가와 저장(uptake)의 과도한 증가, 근육세포 내 중성지방(intramyocellular triacylglycerol, IMTG)의 축적이 주요 원인 중 하나로 밝혀져 있다[2, 17, 19].
참고문헌 (29)
Baker, J., Liu, J. P., Robertson, E. J. and Efstratiadis, A. 1993. Role of insulin-like growth-factors in embryonic and postnatal-growth. Cell 75, 73-82.
Boden, G., Lebed, B., Schatz, M., Homko, C. and Lemieux, S. 2001. Effects of acute changes of plasma free fatty acids on intramyocellular fat content and insulin resistance in healthy subjects. Diabetes 50, 1612-1617.
Carroll, P. V., Christ, E. R., Umpleby, A. M., Gowrie, I., Jackson, N., Bowes, S. B., Hovorka, R., Croos, P., Sonksen, P. H. and Russell-Jones, D. L. 2000. IGF-I treatment in adults with type 1 diabetes-Effects on glucose and protein metabolism in the fasting state and during a hyperinsulinemic-euglycemic amino acid clamp. Diabetes 49, 789-796.
D'Ercole, A. J., Ye, P. and O'Kusky, J. R. 2002. Mutant mouse models of insulin-like growth factor actions in the central nervous system. Neuropeptides 36, 209-220.
Delafontaine, P., Song, Y. H. and Li, Y. 2004. Expression, regulation, and function of IGF-1, IGF-1R, and IGF-1 binding proteins in blood vessels. Arterioscler Thromb Vasc Biol 24, 435-444.
Duan, C., Ren, H. and Gao, S. 2010. Insulin-like growth factors (IGFs), IGF receptors, and IGF-binding proteins: roles in skeletal muscle growth and differentiation. Gen Comp Endocrinol 167, 344-351.
Dube, J. J., Amati, F., Stefanovic-racic, M., Toledo, F. G., Sauers, S. E. and Goodpaster, B. H. 2008. Exercise-induced alterations in intramyocellular lipids and insulin resistance: the athlete's paradox revisited. Am J Physiol Endocrinol Metab 294, E882-888.
Garcia-Martinez, C., Marotta, M., Moore-Carrasco, R., Guitart, M., Camps, M., Busquets, S., Montell, E. and Gomez-Foix, A. M. 2005. Impact on fatty acid metabolism and differential localization of FATP1 and FAT/CD36 proteins delivered in cultured human muscle cells. Am J Physiol Cell Physiol 288, C1264-1272.
Hajri, T., Han., X. X., Bonen, A. and Abumrad, N. A. 2002. Defective fatty acid uptake modulates insulin responsiveness and metabolic responses to diet in CD36-null mice. J Clin Invest 109, 1381-1389.
Hirsch, D., Stahl, A. and Lodish, H. F. 1998. A family of fatty acid transporters conserved from mycobacterium to man. Proc Natl Acad Sci USA 95, 8625-8629.
Holloway, G. P., Chou, C. J., Lally, J., Stellingwerff, T., Maher, A. C., Gavrilova, O., Haluzik, M., Alkhateeb, H., Reitman, M. L. and Bonen, A. 2011. Increasing skeletal muscle fatty acid transport protein 1 (FATP1) targets fatty acids to oxidation and does not predispose mice to diet-induced insulin resistance. Diabetologia 54, 1457-1467.
Kawaguchi, M., Tamura, Y., Kakehi, S., Takeno, K., Sakurai, Y., Watanabe, T., Funayama, T., Sato, F., Ikeda, S., Ogura, Y., Saga, N., Naito, H., Fujitani, Y., Kanazawa, A., Kawamori, R. and Watada, H. 2014. Association between expression of FABPpm in skeletal muscle and insulin sensitivity in intramyocellular lipid-accumulated non-obese men. J Clin Endocrinol Metab 99, 3343-3352.
Kiens, B., Roepstorff, C., Glatz, J. F., Bonen, A., Schjerling, P., Knudsen, J. and Nielsen, J. N. 2004. Lipid-binding proteins and lipoprotein lipase activity in human skeletal muscle: influence of physical activity and gender. J Appl Physiol 97, 1209-1218.
Kim, J. K., Fillmore, J. J., Chen, Y., Yu, C., Moore, I. K., Pypaert, M., Peer Lutz, E., Kako, Y., Velez-Carrasco, W., Goldberg, I. J., Breslow, J. L. and Shulman, G. I. 2001. Tissue-specific overexpression of lipoprotein lipase causes tissue-specific insulin resistance. Proc Natl Acad Sci USA 98, 7522-7527.
Kim, J. K., Gimeno, R. E., Higashimori, T., Kim, H. J., Choi, H., Punreddy, S., Mozell, R. L., Tan, G., Stricker-Krongrad, A., Hirsch, D. J., Fillmore, J. J., Liu, Z. X., Dong, J., Cline, G., Stahl, A., Lodish, H. F. and Shulman, G. I. 2004. Inactivation of fatty acid transport protein 1 prevents fat-induced insulin resistance in skeletal muscle. J Clin Invest 113, 756-763.
Krssak, M., Falk Petersen, K., Dresner, A., DiPietro, L. Vogel, S. M., Rothman, D. L. Shulman, G. I. and Roden, M. 1999. Intramyocellular lipid concentrations are correlated with insulin sensitivity in humans: a $^1H$ NMR spectroscopy study. Diabetologia 42, 113-116.
Nickerson, J. G., Alkhateed, H., Benton, C. R., Lally, J., Nickerson, J., Han, X. X., Wilson, M. H., Jain, S. S., Snook, L. A., Glatz, J. F., Chabowski, A., Luiken, J. J. and Bonen, A. 2009. Greater transport efficiencies of the membrane fatty acid transporters FAT/CD36 and FATP4 compared with FABPpm and FATP1 and differential effects on fatty acid esterification and oxidation in rat skeletal muscle. J Biol Chem 284, 16522-16530.
Norby, F. L., Wold, L. E., Duan, J. H., Hintz, K. K. and Ren, J. 2002. IGF-I attenuates diabetes-induced cardiac contractile dysfunction in ventricular myocytes. Am J Physiol Endocrinol Metab 283, E658-666.
Schmitz-Peiffer, C. 2000. Signalling aspects of insulin resistance in skeletal muscle: mechanisms induced by lipid oversupply. Cell Signal 12, 583-594.
Simoneau, J., Veerkamp, J., Turcotte, L. and Kelly, D. 1999. Markers of capacity to utilize fatty acids in human skeletal muscle; relation to insulin resistance and obesity and effects of weight loss. FASEB J 13, 2051-2060.
Tunstall, R. J., Mehan, K. A., Wadley, G. D., Collier, G. R., Bonen, A., Hargreaves, M. and Cameron-Smith, D. 2002. Exercise training increases lipid metabolism gene expression in human skeletal muscle. Am J Physiol Endocrinol Metab 283, E66-72.
Van Loon, L. and Goodpaster, B. 2006. Increased intramuscular lipid storage in the insulin-resistant and endurance-trained state. Pflugers Arch 451, 606-616.
Van Loon, L., Koopman, R., Manders, R., Van Der Weegen, W., Van Kranenburg, G. and Keizer, H. 2004. Intramyocellular lipid content in type 2 diabetes patients compared to overweight sedentary men and highly trained endurance athletes. Am J Physiol Endocrinol Metab 287, E558-565.
Wu, Q., Ortegon, A. M., Tsang, B., Doege, H., Feingold, K. R. and Stahl, A. 2006. FATP1 is an insulin-sensitive fatty acid transporter involved in diet-induced obesity. Mol Cell Biol 26, 3455-3467.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.