비만 연계 대장암 마우스 모델에서 성 별 대장 유전자 발현 및 장내 미생물 조성 차이 규명

국문 초록 (Abstract)

대장암 발생 위험은 성별, 인종, 식습관, 비만 등의 다양한 요인과 관련되어 있으며, 비만과 대장암의 상관성은 여성에 비해 남성에서 더 뚜렷하게 나타난다. 비만으로 인한 만성 염증, 장내 미생물 불균형, 아디포카인 농도 변화 등이 비만 연계 대장암 발생의 주요한 요인으로 제시된 바 있으나 비만 연계 대장암 발생 기전에서 성별 차이를 규명한 연구는 부족한 실정이다. 본 연구에서는 수컷과 암컷, 난소 절제술을 통해 에스트로겐을 고갈시킨 암컷 쥐를 각각 저지방 식이 공급 군과 고지방 식이 공급 군으로 나누어 대장 종양 형성을 유도하여 그 차이를 관찰하였다. 실험 결과 대장 종양 개수는 고지방 식이를 공급한 수컷 군에서 모든 암컷 군 대비 유의적으로 높았고, 종양 개수에서 성별의 유의한 효과와 성별과 식이의 상호작용 효과가 나타났다. 면역조직화학염색을 통해 MUC2 발현을 평가한 결과, 고지방 식이를 공급한 수컷 군 대비 모든 암컷 군에서 MUC2 발현이 유의미하게 많았다. 본 연구에서는 비만과 대장암 발생의 연계성에서 성별 차이를 나타내는 유전자의 종류 및 기능을 확인하기 위해 마이크로어레이 분석과 KEGG enrichment 분석을 수행하였다. 비만 연계 대장암 발생에서 수컷군과 암컷군 그리고 난소 절제 암컷 군에서 각각 특이적으로 발현이 증가 또는 감소한 유전자 리스트를 대상으로 PPI network analysis를 수행한 후 네트워크 내 다른 유전자들과 상관관계가 높은 허브 유전자를 선별하였다. 비만 연계 대장암 발생 시 수컷 군 특이적으로 발현이 증가한 유전자는 주로 Cytokine-cytokine receptor interaction, HIF-1 signaling pathway, Central carbon metabolism in cancer를 포함한 cancer-related pathway에 관여하는 것으로 나타났다. 비만 연계 대장암 발생 시 암컷 군에서는 TNF signaling pathway, JAK-STAT signaling pathway, Chemokine signaling pathway를 비롯한 cancer-related pathways에 관여하는 유전자 발현이 감소하였다. 난소 절제술을 통해 에스트로겐을 고갈시킨 암컷 군에서는 비만 연계 대장암 발생 시 Mucin type O-glycan biosynthesis에 관여하는 유전자 발현이 증가하였고, C-type lectin receptor signaling pathway, inflammatory bowel disease, viral protein interaction with cytokine and cytokine receptor, transcriptional misregulation in cancer에 관여하는 유전자 발현이 감소하였다. 이와 같은 결과는 수컷 군 대비 암컷 군과 난소 절제 암컷 군에서 비만 연계 대장암 발생이 억제된 이유를 뒷받침할 수 있을 것으로 보이며, 암컷 군과 난소 절제 암컷 군 간 비만 연계 대장암 발생 기전에 차이가 있음을 시사한다. 장 내 미생물 조성 분석 결과, 성별과 식이의 상호작용 효과가 나타난 taxa에는 Ruminococcaceae_uc(genus level), Turicibacter(genus level), Bifidobacterium_uc(species level)가 있었다. 암컷 군과는 달리 수컷 군에서는 고지방 식이 공급에 의해 Deltaproteobacteria를 비롯한 sulfate-reducing bacteria 비율이 유의하게 증가하였고, Odoribacter 비율의 유의적인 증가와 Parvibacter 비율의 유의적인 감소가 나타났다. 결과적으로 본 연구는 비만 연계 대장암 발생의 성별 차이와 이에 미치는 유전자 및 장내 미생물 조성의 영향을 규명하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The risk of colorectal cancer is related to various factors such as sex, race, eating habits, and obesity. The correlation between obesity and colorectal cancer is more pronounced in men than in women. Chronic inflammation due to obesity, gut dysbiosis, and changes in adipokine concentration have been suggested as major factors in the occurrence of obesity-associated colorectal cancer. However, studies that have identified sex differences in the mechanism of obesity-related colorectal cancer are lacking. In this study, male, female, and ovariectomized female (OVX) mice were divided into groups fed either a low-fat diet or a high-fat diet, respectively. Sex differences in obesity-associated colorectal cancer were investigated by inducing colon tumors in all mice with AOM/DSS (azoxymethane /dextran sulfate sodium). The number of colon tumors was significantly higher in the male+hfd (high fat diet) group than in all female groups. We observed the significant effect of sex on tumor number, and there was also a significant interaction effect between sex and diet. MUC2 expression was significantly higher in all female groups compared to male+hfd group. Microarray analysis was performed to confirm the effect of gene expression on sex differences in the correlation between obesity and colorectal cancer. Genes whose expression was changed in the hfd(high fat diet) group compared to the lfd(low fat diet) group in male, female, and ovx mice were referred to as male, female, and ovx-specific DEGs(differentially expressed genes). Male-specific upregulated DEGs were mainly involved in cancer-related pathways including cytokine-cytokine receptor interaction, HIF-1 signaling pathway, and central carbon metabolism in cancer. Female-specific downregulated DEGs were mainly involved in cancer-related pathways including TNF signaling pathway, JAK-STAT signaling pathway and Chemokine signaling pathway. In ovx+hfd group, the expression of genes involved in Mucin type O-glycan biosynthesis increased, and the expression of genes involved in inflammatory bowel disease, viral protein interaction with cytokine and cytokine receptor, transcriptional misregulation in cancer, and C-type lectin receptor signaling pathway decreased. These results seem to support the reason why the occurrence of obesity-linked colorectal cancer was suppressed both in the female and ovariectomized female groups compared to the male+hfd group. Also, we confirmed that there was a clear difference in the mechanism of obesity-associated colorectal cancer between the female mice and ovariectomized female mice. Taxa showing significant interaction effects of sex and diet included Ruminococcaceae_uc (genus level), Turicibacter (genus level), and Bifidobacterium_uc (species level). The proportion of sulfate-reducing bacteria, such as Deltaproteobacteria, was significantly increased by providing high-fat diet in the male group. As a result, this study identified the effects of genes and gut microbiota composition as factors related to sex differences in the incidence of obesity-associated colorectal cancer.

목차 (Table of Contents)

• I. 서론 = 1
• Ⅱ. 문헌 고찰 = 5
• 1. 대장암 발생의 성별 차이 = 5
• 2. 비만 연계 대장암의 발생 기전 = 7
• 3. 대장 암화 과정에서 장내 미생물의 역할: 식이와 성별 영향 = 10
• Ⅲ. 연구 내용 및 방법 = 14
• 1. 실험 동물과 실험 디자인 = 14
• 2. 난소 절제술 (ovariectomy) 진행 = 17
• 3. 대장 조직 분석 = 17
• 4. 16S rRNA gene-based microbiome taxonomic profiling (MTP)을 통한 분변 내 미생물 분석 = 19
• 5. 마이크로어레이 분석을 통한 DEGs(Differentially expressed genes) 선별 = 20
• 6. DEGs(Differentially expressed genes) 기능 분석 = 20
• 7. PPI 네트워크 분석 및 허브 유전자 선별 = 21
• 8. 통계 분석 = 21
• Ⅳ. 결과 = 23
• 1. 체중 변화 = 23
• 2. 식이 섭취량 = 26
• 3. 조직 무게 = 28
• 4. 대장 조직 병리학적 분석 = 31
• 5. 대장 종양 개수 = 38
• 6. 대장 조직의 마이크로어레이 분석을 통한 DEGs(differentially expressed genes) 확인 = 43
• 7. 분변 내 미생물 조성 분석 = 73
• Ⅴ. 고찰 = 121
• Ⅵ. 요약 및 결론 = 139
• Ⅶ. 참고문헌 = 143