[보고서]지방조직의 카탈라제 기능 규명을 통한 새로운 항비만 표적 발굴

송대규

지방조직의 카탈라제 기능 규명을 통한 새로운 항비만 표적 발굴
Novel antiobesity target research through delineating catalase function in adipose tissue 원문보기

보고서 정보
주관연구기관	계명대학교 KeiMyung University
연구책임자	송대규
보고서유형	최종보고서
발행국가	대한민국
언어	한국어
발행년월	2021-03
과제시작연도	2020
주관부처	과학기술정보통신부 Ministry of Science and ICT
등록번호	TRKO202200018010
과제고유번호	1711115456
사업명	개인기초연구(과기정통부)(R&D)
DB 구축일자	2022-12-05
키워드	백색지방조직.산화스트레스.비만.카탈라제.NADPH 산화효소.White adipose tissue.Oxidative stress.Obesity.Catalase.NADPH oxidase.

초록 ▼

□ 연구개요
● 비만과 그와 연관된 대사성질환은 현대 인류의 중요한 질병 이환 및 사망 원인이므로 비만 치료제 사업의 규모가 방대하지만 아직도 정확한 생물학적 기전의 이해는 부족한 실정임.
● 비만은 단순 과체중과 다르며, 피하지방이 아닌 내장지방의 증가가 있어야 하고, 이것이 염증성 cytokine을 분비하고, 활성산소를 더욱 분비하여 지방세포의 기능을 비정상적으로 변화시킴.
● 따라서 비만 자체보다 내장지방의 증가를 제어해야 대사성 질환을 예방할 수 있으므로 본 연구과제는 카탈라제 KO mice를 이용하여 활성산소 스트레스로 인한 내장지방세포 증식 및 분화에 관여하는 기전을 밝히고자 하였음.
● 지방세포에서 AMPK는 인슐린에 의해 식후 공급되는 포도당 및 지방산에 반응하여 활성화되어 미토콘드리아의 생성 및 지방산 산화를 촉진시킴으로써 과도한 지방의 축적을 방지하는데 과도한 ROS는 AMPK 활성을 억제하는 것으로 알려져 있으며, 이는 추가적 지방축적 및 ROS 발생을 촉발함.
● 따라서 내장 지방조직의 ROS 증가가 내장 지방조직의 비정상적 비후를 촉진할 수 있음.
● 본 연구는 siRNA를 사용하여 카탈라제 발현을 감소시킨 지방세포주인 3T3-L1 세포, 카탈라제 KO mice 및 mouse embryonic fibroblasts를 이용하여 활성산소 스트레스가 내장지 방세포 증식 및 분화에 관여하는 기전을 밝혀 모든 대사성질환의 원인인 내장지방 비후를 제어할 수 있는 표적과 그 표적제어물질을 발굴하는 것이 최종 목표임.

□ 연구 목표대비 연구결과
● Catalase siRNA로 형질 전환 된 3T3-L1 세포에서 지방 축적이 증가 함. 그 원인은 증가 된 H₂O₂에 의해 유발 된 산화 스트레스에 의해 발현되는 NOX4는 동시에 산화스트레스를 더 유발하는 악순환을 야기시키고, 이는 미토콘드리아 기능 장애를 유발시켜 지방 축적이 증가한 것으로 나타남.
● 미토콘드리아 기능을 향상시키는 AMPKα activator (metformin)와 산화 스트레스를 억제시키는 NOX4 inhibitor (GKT137381)를 처리하여 지방 축적이 억제됨을 보여줌으로써 catalase 소실 시 산화적 스트레스와 미토콘드리아 기능의 상관관계에 대해 확인을 하고 지방 축적 증가 원인을 밝힘.
● 카탈라제 결핍이 지방 세포 분화에 영향을 미치는지 여부를 확인하기 위해, 3T3-L1 세포를 D-2에 24시간 동안 siRNA로 형질 감염시키고, WT 및 CKO 배아에서 MEF를 채취하여 분석했음. 카탈라제 결핍 3T3-L1 세포 및 MEF에서 H₂O₂ 발생 및 분화 인자의 발현이 증가되고 preadipocyte 마커인 Pref-1 및 GATA2의 발현은 감소되었음.
● 또한, 카탈라제 KO 마우스의 MEF에서 지방 생성량이 증가되어 카탈라제 결핍에 의해 유도된 H₂O₂의 증가가 성숙한 지방세포로의 세포 분화를 촉진함을 시사함.
● 이러한 결과는 과도한 H₂O₂ 및 관련 산화 스트레스가 지방세포의 분화와 지방 생성 촉진을 통해 체지방량을 증가시킨다는 것을 증명하며, 백색 지방 세포에서 NOX4와 AMPK를 조작하는 것은 산화 스트레스에 의해 증가 된 비만에 대한 치료 도구가 될 수 있음을 시사함.

□ 연구발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
● 본 연구에서 밝힌 ROS-NOX4-AMPK 상호간의 관련성은 과도한 H₂O₂ 및 산화 스트레스가 지방 생성을 통해 체지방량을 증가 시킨다는 것을 시사함.
● 백색 지방 세포에서 NOX4와 AMPK를 조절하는 것은 산화 스트레스에 의한 비만에 대한 치료도구가 될 수 있고, 이들의 제어기작은 현재 뇌작용제와 위장관작용제에 대부분 국한되어 있는 비만 예방 및 치료시장에 돌파구를 마련할 가능성이 있음.
● 현재 비만치료제는 위장관표적제제와 뇌표적제제가 대부분이며, 이또한 부작용이 심함. 이번 연구를 성공한다면 새로운 지방세포 특히 내장지방세포 표적의 경쟁력있는 치료후보물질을 개발할 수 있음.
● 또한, 비만 자체 표적보다는 복부비만 치료 기술을 개발한다면 전신비만보다 복부비만이 특히 많은 한국인의 관련 대사 질환을 예방하는데 도움이 될 수 있을 것임.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

표지 ... 1
연구결과 요약문 ... 2
목차 ... 3
1. 연구개발과제의 개요 ... 4
1) 연구개발의 필요성 및 목적 ... 4
2) 연구개발의 가설 ... 4
3) 연구개발의 최종목표 ... 4
4) 연구개발의 연구범위 ... 5
2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 5
3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 6
1) 정성적 연구개발성과 (연구개발결과) ... 6
2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 15
3) 목표 달성 수준 ... 16
4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 16
4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 16
5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 16
6. 참고문헌 ... 17
붙임1 세부 정량적 연구개발성과 ... 18
붙임2 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 19
끝페이지 ... 34

표/그림 (17)

표 Protein levels relative to GAPDH for PGC1α, pAMPKα (relative to AMPKα) and NRF1 in 3T3-L1 cells transfected with control (ns-siRNA) or catalase siRNA (Cat siRNA). n = 3–6 ***P < 0.001 vs. ns-siRNA. Small interfering RNA, siRNA
표 Representative mRNA expression of (A) NOX4 and (B) NOX subunits in epididymal fat of HFD fed catalase KO mice. *P < 0.05, **P < 0.01 and ***P < 0.001 vs WT-HFD. WT, wild type; CKO, catalase KO; ND, normal diet; HFD, high fat diet
표 3T3-L1 cell viability detected using cell counting following treatment with 20 μM GKT137381 or 1 mM metformin or GKT137381 + metformin. n = 5–6
표 Oil-red O (ORO) staining of 3T3-L1 cells transfected with control (ns-siRNA) or catalase siRNA (Cat siRNA) in the presence of 20 μM GKT137381 or 1 mM metformin (MT; ×200) and ORO staining intensity of 3T3-L1 cells. n = 5–6 *P < 0.05 vs. ns-siRNA; #P < 0.05 and ##P < 0.01 vs. CAT siRNA. Small interfering RNA, siRNA
표 H2O2 levels of 3T3-L1 cells transfected with control (ns-siRNA) or catalase siRNA (Cat siRNA), which were exposed to 20 μM GKT137381 or 1 mM metformin. n = 5–6 **P < 0.01 vs. ns-siRNA; #P < 0.05 and ##P < 0.01 vs. CAT siRNA. Small interfering RNA, siRNA
표 Protein levels relative to GAPDH for catalase, NOX4, p22phox22, pAMPKα (relative to AMPKα), pACC (relative to ACC), PPARG and C/EBPb in 3T3-L1 cells transfected with control (ns-siRNA) or catalase siRNA (Cat siRNA), which were exposed to 20 μM GKT137381 or 1 mM metformin. n = 5–6 *P < 0.05 and **P < 0.01 vs. ns-siRNA; #P < 0.05, ##P < 0.01 and ###P < 0.001 vs. CAT siRNA. Small interfering RNA, siRNA
표 GKT137831 (50mg/kg B.W.) or metformin (100mg/kg B.W.) supplementation attenuate degree of obesity of HFD-induced CKO mice. (A) Body weight of HFD-fed CKO mice challenged with GKT137381 or Metformin for 6 weeks. (B) Food intake and food efficiency ratio were measured in each group. (C) Body composition of HFD-fed CKO mice with GKT137381 or Metformin. The data were expressed as the mean ± SEM, Student’s t-test, n = 8, *P < 0.05, **P < 0.01, ***P < 0.001 versus HFD group
표 H2O2 concentrations on epididymal fat of HFD-induced CKO mice that supplemented with GKT137831 (50mg/kg B.W.) or metformin (100mg/kg B.W.)
표 Protein levels relative to GAPDH for NOX4 and p22phox in epididymal fat of HFD-induced CKO mice that supplemented with GKT137831 (50mg/kg B.W.) or metformin (100mg/kg B.W.). The data were expressed as the mean ± SEM, Student’s t-test, n = 8, *P < 0.05, **P < 0.01 versus HFD group
표 Protein levels relative to GAPDH for PGC1α, TFAM, NRF1, and pAMPKα (relative to AMPKα) in epididymal fat of HFD-induced CKO mice that supplemented with GKT137831 (50mg/kg B.W.) or metformin (100mg/kg B.W.). The data were expressed as the mean ± SEM, Student’s t-test, n = 8, *P < 0.05, **P < 0.01, ***P < 0.001 versus HFD group
표 Western blot analysis of OXPHOS-associated signals in epididymal fat of HFD-induced CKO mice that supplemented with GKT137831 (50mg/kg B.W.) or metformin (100mg/kg B.W.). The data were expressed as the mean ± SEM, Student’s t-test, n = 8, *P < 0.05, **P < 0.01, ***P < 0.001 versus HFD group
표 RT-qPCR analysis of mRNA-related to FA oxidation and TCA cycle on epididymal fat of HFD-induced CKO mice that supplemented with GKT137831 (50mg/kg B.W.) or metformin (100mg/kg B.W.). The data were expressed as the mean ± SEM, Student’s t-test, n = 8, *P < 0.05, **P < 0.01 versus HFD group
표 H2O2 concentration during early-stage differentiation of 3T3-L1 cells transfected with siCAT and CKO MEFs (n = 6). Data are expressed as the mean ± SEM; Student’s t-test, *P < 0.05, **P< 0.01, ***P < 0.001 versus siCON-transfected 3T3-L1 cells or WT MEFs
표 Pref-1 and (C) GATA2 mRNA levels (n = 3). Data are expressed as the mean ± SEM; Student’s t-test, *P < 0.05 and **P< 0.01 versus siCON-transfected 3T3-L1 cells or WT MEFs; ttP < 0.01 and tttP < 0.001, siCON-transfected 3T3-L1 cells or WT MEFs at D0 versus siCON-transfected 3T3-L1 cells or WT MEFs at D2; $$P < 0.01 and $$$P < 0.001, siCON-transfected 3T3-L1 cells or WT MEFs at D0 versus siCAT-transfected 3T3-L1 cells or CKO MEFs at D2
표 Catalase knockdown in 3T3-L1 cells and MEFs promotes adipogenesis. Protein levels of catalase, C/EBPβ, and PPARγ relative to GAPDH in siCAT transfected 3T3-L1 cells (A) and MEF (B). Data are expressed as the mean ± SEM; Student’s t-test, *P < 0.05, **P< 0.01, ***P < 0.001 versus siCON-transfected 3T3-L1 cells or WT MEFs; tP < 0.05 and tttP < 0.001, siCON-transfected 3T3-L1 cells or WT MEFs at D0 versus siCON-transfected 3T3-L1 cells or WT MEFs at D2; $P < 0.05, $$P < 0.01, $$$P < 0.001, siCON-transfected 3T3-L1 cells or WT MEFs at D0 versus siCAT-transfected 3T3-L1 cells or CKO MEFs at D2
표 H2O2 concentration and ORO staining of MEFs from WT and CKO mice at D8 (n = 3). Data are expressed as the mean ± SEM; Student’s t-test, *P < 0.05 and **P < 0.01 versus WT MEFs
표 Mechanism of catalase in pathology of obesity

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