[논문]8주 케톤체 투여가 마우스 지구성 운동수행능력과 골격근의 자가포식에 미치는 영향

주정선; 박민주; 이달우; 이동원

doi:10.5352/jls.2023.33.3.242

8주 케톤체 투여가 마우스 지구성 운동수행능력과 골격근의 자가포식에 미치는 영향
The Effects of 8-week Ketone Body Supplementation on Endurance Exercise Performance and Autophagy in the Skeletal Muscle of Mice 원문보기

생명과학회지 = Journal of life science, v.33 no.3, 2023년, pp.242 - 251

주정선 (수원대학교 스포츠과학부) , 박민주 (수원대학교 스포츠과학부) , 이달우 (수원대학교 스포츠과학부) , 이동원 (수원대학교 스포츠과학부)

초록
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마우스 모델을 사용하여, 8주 케톤체(베타-하이드록시뷰티레이트, β-HB)가 지구성 운동 수행능력과 골격근의 단백질 합성 및 분해에 미치는 영향을 조사하였다. 48마리의 수컷 ICR 마우스(8주령)를 무작위로 4개 그룹으로 나누었다: 비운동 통제군(Sed+Con), 비운동+베타-하이드록시뷰티레이트(Sed+β-HB), 운동 통제군(Exe+Con), 운동+베타-하이드록시뷰티레이트(Exe+β-.HB). β-HB 투여를 위해 β-HB를 PBS (150 mg/mL)에 용해시켜 8주 동안 매일 피하 주사(250 mg/kg)하였다. 운동 훈련을 위해 마우스는 8주 동안 20분 트레드밀 달리기 운동 훈련을 주 5일 수행하였다. 훈련은 10° 경사도에서 10 m/min 속도에서 5 min 동안 실시하고 나서, 매 1 min 마다 1 m/min의 속도를 나머지 15 min 동안 증가시켰다. 8주간의 처치 후, 내장 지방량과 골격근량, 혈액 매개변수, 자가포식 및 단백질 합성 마커가 분석되었다. 데이터는 SPSS 21 프로그램을 사용하여 ANOVA (p<0.05)로 분석되었다. Exe+β-HB 그룹의 혈중 젖산 수치는 모든 3개 그룹(Sed+Con, Sed+β-HB 및 Exe+β-HB)보다 유의하게 낮았다(p<0.05). Sed+Con 및 Exe+Con 그룹에 비해, 8주 Exe+β-HB 처치는 최대 달리기 수행 시간(탈진 시간)을 유의하게 증가시켰다(p<0.05). 8주 β-HB 투여는 마우스의 골격근에서 자가포식 유동과 자가포식 관련 단백질을 유의하게 감소시켰다(p<0.05). 반대로, β-HB와 지구력 운동 훈련의 조합된 처치는 단백질 합성(mTOR 신호 및 번역 속도)을 증가시켰다(p<0.05). 8주간의 β-HB 처치와 지구력 운동 훈련은 마우스 골격근에서 지구력 수행능력 증가, 단백질 합성 증가, 단백질 분해 감소 효과를 보여주었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study was to investigate the effects of 8-week β-hydroxybutyrate (β-HB) administration with and without endurance exercise training on endurance exercise performance and skeletal muscle protein synthesis and degradation using a mouse model. Forty-eight male wild-type ICR mice (8 weeks old) were randomly divided into four groups: sedentary control (Sed+Con), (Sed+Con), sedentary β-HB (Sed+β-HB), exercise control (Exe+Con), and exercise β-HB (Exe+β-HB). β-HB was dissolved in PBS (150 mg/ml) and injected subcutaneously daily (250 mg/kg) for 8 weeks. Mice performed 5 days/week of a 20 min treadmill running exercise for 8 weeks. The running exercise was carried out at a speed of 10 m/min at a 10° incline for 5 min, and then the speed was increased by 1 m/min for every 1 min of the remaining 15 min. Following 8 weeks of treatments, visceral fat mass and skeletal muscle mass, blood parameters, and the markers for autophagy and protein synthesis were analyzed. The data were analyzed with one-way ANOVA (p<0.05) using the SPSS 21 program. Eight weeks of Exe+β-HB treatment significantly lowered blood lactate levels compared with the other three groups (Sed+Con, Sed+β-HB, and Exe+β-HB) Exe+β-HB) (p<0.05). Eight weeks of Exe+β-HB significantly increased maximal running time (time to exhaustion) compared with the Sed+Con and Exe+Con groups (p<0.05). Eight weeks of β-HB administration significantly decreased autophagy flux and autophagy-related proteins in the skeletal muscle of mice (p<0.05). Conversely, the combined treatment of β-HB and endurance exercise training increased protein synthesis (mTOR signaling and translation) (p<0.05). The 8-week β-HB treatment and endurance exercise training had synergistic effects on the increase in endurance performance, increase in protein synthesis, and decrease in protein degradation in the skeletal muscle of mice.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. Procedures of experiments (A) and Experimental design of in vivo autophagic flux assay (B).
그림 Fig. 2. Effects of 8-week β-HB treatment and running exercise training on body weight (A) and daily food consumption (B). Values are means±S.E. *p<.05 vs. Sed+Con, #p<.05 vs. Sed+β-HB. ■ Sed+Con; ◆ Sed+β-HB; ▲ Exe+Con; ● Exe+β-HB.
그림 Fig. 3. Endurance capacity was evaluated by total running time before exhaustion of mice treated with PBS or β-HB, with or without exercise training for 8 weeks (A). Values are means ± S.E. ^*p<0.05 vs. Sed+Con, ^#p<0.05 vs. Sed+β-HB, ^δp<0.05 vs. Exe+Con.
표 Table 1. Epididymal fat weight, wet skeletal muscle weight, weight-adjusted muscle weight, and blood parameters
그림 Fig. 4. The comparison of autophagy marker proteins and the effects of 8-week β-HB supplementation and endurance exercise on autophagy marker proteins in skeletal muscle of mice. Representative immunoblot images of LC3 or β-actin (A) and p62, Atg5, Beclin-1 or β-actin (C). LC3-II/β-actin (B), p62/β-actin (D), atg5/β-actin (E), Beclin-1/β-actin (F) were quantitated via densitometry from 6 mice per treatment conditions. Values are means ± SE; (n=6) ^*p<0.05 vs. sed+con+Col, ^#p<0.05 vs. sed+β-HB+Col, ^δp<0.05 vs. exe+Con+Col for in vivo autophagy flux assay A, B). ^*p<0.05 vs. sed+con, ^#p<0.05 vs. sed+β-HB, ^δp<0.05 vs. exe+Con for autophagy-related proteins (C, D, E, F).
그림 Fig. 5. Effects of 8-week β-HB supplementation and running exercise on phosphorylation of mTOR and S6 in skeletal muscle of mice. Representative immunoblot images of phosphor-mTOR (ser2448), total mTOR, phosphor-S6 (ser235/236), total S6 or actin (A). Phosphor-mTOR (ser2448)/total mTOR (B), phosphor-S6 (ser235/236)/total S6 (C) were quantitated via densitometry from 6 mice per treatment conditions. Representative immunoblot images of puromycin or actin (D). Puromycin/actin (E). Each bar represents the means±SE for muscles from 6 mice (n=6). ^*p<0.05 vs. Sed+Con, ^#p<0.05 vs. Sed+NaAC, ^δp<0.05 vs. Exe+Con.

AI 본문요약
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문제 정의

또한 지구성 운동 수행능력을 향상시켰고 피로 물질인 혈중 젖산 농도를 감소시켰다. 따라서 본 연구는 β-HB가 운동수행능력 제고 보조물(ergogenic aids)로서의 가능성을 제시하고자 한다.

제안 방법

혈액은 희생시키기 전 꼬리의 끝 부분을 절단 후 정맥혈이 채취되었다. 동물을 12시간의 금식 후, 희생시키기 전 각 동물마다 혈액을 꼬리 정맥에서 채취하여 Accutrend Plus (Roche Diagnostics, Switzerland) 분석기를 사용하여 혈액 글루코스(glucose, mg/dL), 중성지방(triglycerides, mg/dL), 총 콜레스테롤(total cholesterol, mg/dL), 젖산염(lactate, mmol/L) 농도를 측정하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 실험동물은 생후 8 주령 male ICR 마우스(샘타코) 48마리로 1주간의 적응기를 마친 후, 각각 12마리씩 무작위로 임의 배정되었다. 초기 동물 그룹은다음과 같이 구분하였다: Sedentary+control (Sed+Con, n=12); Sedentary+β-HB, (Sed+β-HB, n=12); Exercise+control (Exe+Con, n=12); Exercise+β-HB (Exe+β-HB, n=12).
이 실험에서 사용된 Primary 항체: anti-phospho-p70S6 (ser235/236), anti-p70S6, anti-Atg5 (12994), anti-Beclin1 (3494), anti-phospho-mTOR (ser2448) (2971), anti-mTOR (2972) (Cell Signaling Technology), anti-p62(1842-1-AP), Proteintech, (Santa Cruz Biotechnology), anti-LC3 (L7543) and anti-β-actin (Sigma-Aldrich).

데이터처리

유의수준은 a=0.05로 설정하여 분석한 결과, 통계적으로 유의한 차이가 있을 경우 사후 검증(Fisher’s LSD)을 실시하였다.
측정된 자료는 SPSS 21.0 통계 프로그램을 이용하여 평균과 표준편차를 산출하고, 집단 간 평균차 검증은 일원변량분석(one-way ANOVA)을 적용하였다. 유의수준은 a=0.

이론/모형

8주 β-HB와 운동훈련이 골격근의 단백질 합성에 미치는 영향을 알아보기 위해 각 그룹 동물의 골격근(전경골근, TA)을 채취한 후 단백질 합성의 수준을 알아볼 수 있는 mTOR 인산화(phosphorylation, serine 2448)와 mTOR 하위인자(substrate)인 phospho-S6 ribosomal protein (p-S6 ser235/236) 인산화 그리고 puromycin 항체를 사용하여 Western blot 분석 방법을 통해 측정하였다
골격근에서 8주 β-HB 투여와 지구성 운동훈련의 복합적 처치가 단백질 분해 기전의 하나인 자가포식에 미치는 영향을 조사하기 위해 각 그룹 동물의 골격근(전경골근)을 추출하여 자기포식 유동(autophagy flux)을 LC3 항체(antibody)를 사용하여 Western blot 분석 방법으로 측정하였다
골격근에서 8주 β-HB 투여와 지구성 운동훈련의 복합적 처치가 단백질 분해 기전의 하나인 자가포식에 미치는 영향을 조사하기 위해 각 그룹 동물의 골격근(전경골근)을 추출하여 자기포식 유동(autophagy flux)을 LC3 항체(antibody)를 사용하여 Western blot 분석 방법으로 측정하였다. 또한 자가포식과 관련된 p62, Atg5, Beclin-1 단백질 수준을 Western blot 방법으로 측정하였다. Colchicine을 처치하여 자가포식을 억제시킨 후 자가포식 유동 분석한 결과 Sed+Con 그룹에 비해 Sed+β-HB 그룹의 LC3-II 단백질 수준이 약 27% 유의하게 감소하였다.
마우스 골격근에의 단백질 측정은 선행연구에서 설명된 것처럼 Bio-Rad사의 Western blot 시스템을 사용하여 전형적인 형태의 전기영동법을 사용하여 특정한 단백질의 양을 분석하였다. 이 실험에서 사용된 Primary 항체: anti-phospho-p70S6 (ser235/236), anti-p70S6, anti-Atg5 (12994), anti-Beclin1 (3494), anti-phospho-mTOR (ser2448) (2971), anti-mTOR (2972) (Cell Signaling Technology), anti-p62(1842-1-AP), Proteintech, (Santa Cruz Biotechnology), anti-LC3 (L7543) and anti-β-actin (Sigma-Aldrich).

성능/효과

본 연구는 마우스 모델을 통해 8주 케톤체(β-HB) 투여가 마우스 골격근의 단백질 합성의 증가와 단백질 분해 과정의 하나인 자가포식은 억제시켰다. 또한 지구성 운동 수행능력을 향상시켰고 피로 물질인 혈중 젖산 농도를 감소시켰다.
본 연구에서 8주 달리기 운동은 마우스 몸무게를 유의하게 감소시켰지만, 8주 β-HB의 투여는 마우스 몸무게의 변화에 영향을 미치지 않았다
본 연구에서 지구성 훈련과 조합되었들 때, β-HB 투여 효과는 4주부터 나타났고, 마지막 주(8주)까지 지구력 달리기 수행능력을 향상시켰다

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저자의 다른 논문 :

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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