[논문]일회성 및 만성적 유산소운동이 초파리의 자가포식 관련 유전자 발현에 미치는 영향

김희연; 김혜진; 황지선; 이원준

doi:10.5352/jls.2014.24.11.1180

[국내논문] 일회성 및 만성적 유산소운동이 초파리의 자가포식 관련 유전자 발현에 미치는 영향
Differential Effects of Acute and Chronic Exercise on Autophagy-related Gene Expression in Drosophila melanogaster 원문보기

생명과학회지 = Journal of life science, v.24 no.11 = no.175, 2014년, pp.1180 - 1186

김희연 (이화여자대학교 건강과학대학 체육과학과) , 김혜진 (이화여자대학교 건강과학대학 체육과학과) , 황지선 (이화여자대학교 건강과학대학 체육과학과) , 이원준 (이화여자대학교 건강과학대학 체육과학과)

초록
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자가포식은 자가포식소체에서 리소좀으로 이어지는 경로를 통해 세포내에서 일어나는 자가분해 시스템으로 다양한 질병과 관련된 운동의 효과를 설명하는데 있어 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 하지만 현재까지 보고된 대부분의 연구는 일회성 운동 혹은 저항성 운동에 의한 자가포식만을 조사한 것으로 일회성 운동과 만성적 운동을 함께 조사한 연구는 전무하다. 따라서 본 연구의 목적은 일회성 및 만성적 유산소운동이 자가포식에 미치는 영향을 알아보는 것이다. White-eyed mutant Drosophila melanogaster를 대상으로 하여 이들을 통제집단, 일회성 운동 집단, 일주일간 하루 2시간 또는 3시간씩 운동을 실시한 집단에 무선배정 하였고, 운동은 일회성 운동과 만성적 운동으로 구성하여 실시하였다. 정량 실시간 연쇄반응을 통해 Atg1, Atg6, Atg8a 유전자의 발현을 관찰한 결과 일회성 운동은 Atg8a mRNA 발현을 유의하게 증가시켰다. 그러나 Atg1, Atg6 mRNA 발현은 일회성 운동으로 유도되지 않았다. 또한 2시간의 만성적 운동에 의해서 Atg6 mRNA 발현이 유의하게 증가되었으나 Atg1, Atg8a mRNA 발현에는 유의한 변화가 나타나지 않았다. 반면 3시간의 만성적 운동을 실시한 결과 Atg1, Atg6, Atg8a mRNA 발현이 각각 57%, 37%, 71%로 모두 유의하게 증가된 것을 관찰할 수 있었다. 본 연구의 결과를 통해서 일회성의 운동은 선별된 자가포식 관련 유전자를 모두 활성화시키지는 못하지만 선택적으로 유도한다는 사실을 확인할 수 있었고, 만성적 운동은 자가포식 관련 유전자의 발현을 증가시킨다는 사실을 확인할 수 있었다. 따라서 본 연구는 일회성 및 만성적 유산소운동이 자가포식에 미치는 영향을 규명하였으며, 자가포식 관련 유전자가 일회성 운동과 만성적 운동에 의해 차별적으로 증가한다는 사실을 확인하였다는데 의의가 있다. 향후 운동에 의한 자가포식 연구에 있어 운동 형태 및 지속시간 등을 고려한 보다 세부적이고 체계적인 연구가 수행될 필요가 있을 것이라 사료되는 바이다.

Abstract ▼ AI-Helper

Autophagy, the lysosomal degradation pathway, is an intracellular recycling system that is necessary for the metabolic benefits of exercise and for producing lasting beneficial effects of exercise in various diseases. However, the most recent studies have only examined the effect of a single bout of exercise or resistance exercise on autophagic responses. To determine the differential effects of acute and chronic exercise on the expression of autophagy-related genes in D. melanogaster, white-eyed mutant D. melanogaster were assigned randomly to four groups: control, acute exercise, 2 hr chronic exercise, and 3 hr chronic exercise. The flies were exercised using a mechanized platform known as the Power Tower. Our results revealed that a single bout of exercise resulted in increased mRNA levels of the Atg8a gene (~20%, p<0.05). However, Atg1 and Atg6 mRNA expression were not induced by acute exercise. Transcript levels of Atg6 (~29%, p<0.05) related to the nucleation of autophagosomes were significantly induced by 2 hr of chronic exercise. However, this chronic exercise was not enough to increase Atg1 and Atg8a mRNA expression. On the other hand, 3 hr of exercise for 7 days significantly increased Atg1, Atg6, and Atg8a gene expression-about 57%, 37%, and 71%, respectively (p<0.05). These results suggest that a single bout of exercise is not enough to induce full activation of selected autophagy-related genes in D. melanogaster. Our results demonstrated that chronic regular exercise induced autophagy-related gene expression, suggesting that chronic regular exercise training might be required to activate autophagic responses important for producing beneficial effects of exercise in various diseases.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

하지만 현재까지 만성적 운동이 자가포식에 미치는 영향에 대한 연구는 보고된 것이 없으며, 또한 건강상의 이점과 관련된 운동의 효과를 설명하는데 있어 유산소운동을 빼 놓을 수 없음에도 불구하고 만성적으로 지속되는 유산소운동이 자가포식에 미치는 영향에 대한 연구는 전무하다. 따라서 본 연구는 자가포식 관련 유전자의 발현에 있어 일회성 및 만성적 유산소운동이 차별적으로 영향을 미친다는 것을 조사하여 운동의 효과를 설명하는 기전을 찾는데 그 목적이 있다.

제안 방법

세대가 같고 동일한 조건에서 키워진 초파리들을 태어난지 3일째 되는 날 암수 구분을 하여 암컷만 따로 분리하였고, 분리한 암컷을 한 시험관(vial)에 25마리씩, 총 18개로 나누어 넣었다. 집단은 실험군(exercise, EX)과 통제군(control, CON) 두 집단으로 나누어 각 집단에 3개의 시험관을 배정하였다.
세대가 같고 동일한 조건에서 키워진 초파리들을 태어난지 3일째 되는 날 암수 구분을 하여 암컷만 따로 분리하였고, 분리한 암컷을 한 시험관(vial)에 25마리씩, 총 18개로 나누어 넣었다. 집단은 실험군(exercise, EX)과 통제군(control, CON) 두 집단으로 나누어 각 집단에 3개의 시험관을 배정하였다. 일회성 운동그룹은 태어난 지 10일째 되는 날 하루 운동을 시행하였고, 만성적 운동그룹은 태어난 지 4일째 되는 날부터 일주일 간 운동을 시행하였다.
일회성 운동그룹은 단 하루 3시간 운동을 실시하였고, 만성적 운동그룹은 일주일 간 매일 하루에 한 번 2시간, 3시간 두 그룹으로 나누어 실시하였으며, 운동 횟수는 1분에 4.5회로 정하여 실시하였다.
일회성 유산소운동이 자가포식 유전자인 Atg1, Atg6, Atg8a의 mRNA 발현에 미치는 영향을 알아보기 위해 정량 실시간 연쇄반응을 실시하였으며, 그 결과는 다음과 같다. Fig.

대상 데이터

실험에 사용한 초파리는 White-eyed mutant Drosophila melanogaster (W¹¹¹⁸)이다. 암컷과 수컷 약 200마리를 분양 받아 교배를 시킨 후 세대가 같도록 만들어 실험에 사용하였다.
)이다. 암컷과 수컷 약 200마리를 분양 받아 교배를 시킨 후 세대가 같도록 만들어 실험에 사용하였다. 초파리는 온도 25℃, 습도 50%, 12시간 낮/밤 주기를 유지하는 초파리 방에서 키웠고, 10% yeast, 10% sucrose, 2.

데이터처리

운동에 따른 자가포식 관련 유전자의 mRNA 발현량에 유의한 차이가 있는지를 검증하기 위해서 Window용 SPSS 18.0 프로그램을 이용하여 독립표본 t-검정을 실시하였다(p<0.05).

성능/효과

만성적 유산소운동이 자가포식에 미치는 영향을 알아보기 위해 일주일간 하루 2시간씩 운동을 실시한 후 Atg1, Atg6, Atg8a의 mRNA 발현을 측정한 결과 Atg1 mRNA 발현에는 유의한 차이가 없었고(Fig. 3A), 마찬가지로 Atg8a mRNA 발현에도 유의한 차이가 없었다(Fig.
또한 그와는 대조적인 결과도 보고되었는데, 50분간 일회성 운동을 실시한 다음 운동 직후, 3시간 후, 6시간 후, 12시간 후 Beclin1 단백질의 발현을 본 결과 모든 시간대에서 발현이 유의하게 감소하였다[11]. 본 연구에서는 일회성 운동에 의한 Atg6 mRNA 발현에 변화가 없었고, 만성적 운동에 의해서는 2시간, 3시간 그룹 모두에서 유의한 증가가 나타났다. 이 결과를 통해 Atg6는 규칙적으로 지속된 만성적 운동에 의해서만 발현이 증가될 것으로 사료된다.
그러나 이제까지의 운동과 자가포식을 연구한 선행연구들은 일회성 운동에 의한 자가포식만을 조사하였고, 일회성 운동과 만성적 운동에 의한 자가포식을 조사한 연구는 보고된 것이 없다. 그러므로 본 연구는 초파리에서의 자가포식 관련 유전자가 일회성 운동과 만성적 운동에 의해 차별적으로 증가한다는 것을 밝히고, 만성적 유산소운동에 의해서 자가포식이 증가한 다는 것을 밝혔음에 중요한 의의가 있다.

후속연구

본 연구에서 나타나는 제한점 및 제언은 다음과 같다. 첫째, 실험집단의 초파리가 운동을 하면서 배지에 있는 영양분을 섭취했는지 아닌지를 확인하지 못하였다. 만약 영양분을 섭취 했다면 Atg 유전자들의 mRNA 발현 수준이 오직 운동에 의해서 증가하는 수준보다 더 낮게 나타났을 가능성이 있다.
왜냐하면 영양분이 충분한 상태에서 자가포식은 거의 나타나지 않는다고 보고되어 있기 때문이다[24]. 운동 중 섭취하는 영양분이 운동으로 유도된 자가포식을 낮추었을 가능성을 배제할 수 없으므로 이후 연구에서는 초파리가 운동 중 영양분을 섭취하는지 아닌지를 함께 확인하여 자가포식에 미치는 영향을 논할 필요가 있을 것이다. 둘째, 포유류와는 다른 초파리의 특성상 장기간 운동을 하는 동안 개개의 초파리가 일정하게 운동을 하는지 아닌지를 일일이 확인하지는 못하였다.
운동 중 섭취하는 영양분이 운동으로 유도된 자가포식을 낮추었을 가능성을 배제할 수 없으므로 이후 연구에서는 초파리가 운동 중 영양분을 섭취하는지 아닌지를 함께 확인하여 자가포식에 미치는 영향을 논할 필요가 있을 것이다. 둘째, 포유류와는 다른 초파리의 특성상 장기간 운동을 하는 동안 개개의 초파리가 일정하게 운동을 하는지 아닌지를 일일이 확인하지는 못하였다. 그러나 본 연구에서의 운동시간과 운동횟수는 Piazza et al.
[19]의 연구에 의거한 것이므로 어느 정도 일정하게, 꾸준히 운동을 했다고 가정할 수가 있을 것이다. 추후 연구를 통해 초파리 운동에 더 적합한 운동 프로토콜을 제시할 필요가 있을 것으로 사료된다. 셋째, 초파리의 몸통은 사람의 간에 해당하는 조직으로 초파리 몸통에서의 자가포식 변화가 특정 조직의 자가포식 변화를 직접적으로 설명할 수 있다고 단언하기는 힘들다.
셋째, 초파리의 몸통은 사람의 간에 해당하는 조직으로 초파리 몸통에서의 자가포식 변화가 특정 조직의 자가포식 변화를 직접적으로 설명할 수 있다고 단언하기는 힘들다. 그러나 인간과 유전적으로 높은 상동성을 띠고 있는 초파리의 대사적 변화를 봄으로써 운동에 의한 신체의 전반적인 대사 변화를 추론할 수 있기 때문에 운동으로 유도되는 자가포식을 연구하는데 무리가 없을 것이라 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	일회성 운동에 의해 나타나는 대사적 변화는?	일회성 운동은 순간적이고 일시적인 대사 반응을 이끌어내지만 장기간의 만성적 운동은 대사적 적응을 유발한다[20]. 일반적으로 일회성 운동에 따른 대사적 변화는 당 수송(glucose transport)과 인슐린 활동을 통한 글루코스 항상성의 유지와 관련이 있는 것으로 알려져 있고[1], 만성적인 운동은 미토콘드리아 숫자의 증가, GLUT4 단백질 발현의 증가, 지질수준의 변화를 유도하 는 것으로 알려져 있다[4, 8]. 운동의 형태에 따라 신체 대사와 분자적 기전은 상이하게 나타나기 때문에 운동에 의한 자가포식을 연구하는데 있어 일회성 운동에 의한 변화뿐만 아니라 장기간의 만성적인 운동에 따른 변화를 연구할 필요성이 있다.
	자가포식이란?	자가포식은 자가포식소체에서 리소좀으로 이어지는 경로를 통해 세포내에서 일어나는 자가분해 시스템으로 다양한 질병과 관련된 운동의 효과를 설명하는데 있어 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 하지만 현재까지 보고된 대부분의 연구는 일회성 운동 혹은 저항성 운동에 의한 자가포식만을 조사한 것으로 일회성 운동과 만성적 운동을 함께 조사한 연구는 전무하다.
	일회성 및 만성적 유산소운동이 자가포식 관련 유전자활성에 미치는 영향은?	반면 3시간의 만성적 운동을 실시한 결과 Atg1, Atg6, Atg8a mRNA 발현이 각각 57%, 37%, 71%로 모두 유의하게 증가된 것을 관찰할 수 있었다. 본 연구의 결과를 통해서 일회성의 운동은 선별된 자가포식 관련 유전자를 모두 활성화시키지는 못하지만 선택적으로 유도한다는 사실을 확인할 수 있었고, 만성적 운동은 자가포식 관련 유전자의 발현을 증가시킨다는 사실을 확인할 수 있었다. 따라서 본 연구는 일회성 및 만성적 유산소운동이 자가포식에 미치는 영향을 규명하였으며, 자가포식 관련 유전자가 일회성 운동과 만성적 운동에 의해 차별적으로 증가한다는 사실을 확인하였다는데 의의가 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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