식이성 비만 모델에서 에너지 대사와 장내 미생물 조성의 성별 차이 규명

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Obesity is caused by an imbalance in the energy metabolism, and in particular by sex, shows a distinct difference in phenotype and metabolic regulation mechanisms. While most studies have concluded that the reason of this difference was the effect of sex hormones, there has recently been a need to understand various variables including genes in sex chromosomes, in addition to sex hormones. In this study, we intended to identify estrogen specific effects on sex differences in energy metabolism and gut microbiota composition in diet-induces obesity model using male, female, and ovariectomized female mice. Seven weeks of C57BL/6J male and female mice were operated on ovariectomy or sham-operation, and after 10 weeks of feeding with high-fat diets, energy metabolism biomarkers and gut microbiota taxonomic profiling analysis were conducted. The study found that the rate of increase in body weight of males and the amount of adipose tissue were significantly higher than those of females, and the ovariectomy on female caused similar extent to males. Inflammation of adipose tissue was also higher than that of females in males and ovariectomized females. The lipid metabolic indicators (ACC, FAS, LPL, HSL) in the adipose tissue were expressed in males in a direction that increased lipogenesis and decreased lipolysis compared to females, and ovariectomy also caused changes in the same way. The increased adipose tissue resulted in higher levels of leptin in males and ovariectomized females, confirming that leptin sensitivity was impaired and increased dietary intake. In males, on the other hand, the fasting blood glucose and the fasting insulin were higher and the adiponectin were lower compare to females, but there was no significant effect from ovariectomy. Analysis of the expression of the glucose metabolic indicators (PI3K, Akt, GLUT4) in adipose tissue confirmed that the male's insulin sensitivities were significantly damaged compared to females and compared to other tissues. The analysis of fecal microbiota composition showed that the alpha-diversity in males is significantly lower than that of females, and ovariectomy in females triggered the distribution of microbiota similar to males. In addition, taxa showing significant sex differences in proportion were classified into two groups, either affected or not affected by ovariectomy. As a result, this study identified the possibility of non-estrogen effects on sex differences in energy metabolism and gut microbiota composition, and having difference in their tissue-specific reactivity to energy metabolism.

국문 초록 (Abstract)

비만 (obesity)은 에너지 대사의 불균형에 의해 초래되며 특히 성별로 그 표현형 (phenotype)과 대사 조절 기전에 차이가 뚜렷이 나타난다. 대부분의 연구들이 이러한 차이의 원인을 성 호르몬 (sex hormone)의 역할로 귀결시켜왔으나, 최근 성 호르몬 이외에 성 염색체에 존재하는 유전자를 포함한 다양한 변수들의 이해에 대한 필요성이 제기되고 있다. 본 연구에서는 수컷, 암컷, 그리고 난소를 절제하여 여성 호르몬인 에스트로겐 (estrogen)을 고갈시킨 암컷을 사용한 식이성 비만 모델에서 체내 에너지 대사와 장내 미생물의 성별 차이를 확인하고 에스트로겐 특이적 혹은 비특이적 영향을 구분하고자 하였다. C57BL/6J 7주령 수컷, 암컷 마우스를 난소 절제술 혹은 가장 수술을 시행하고 고지방 식이로 10주간 사육한 후, 에너지 대사 지표와 장내 미생물 분석을 시행하였다. 연구 결과 수컷의 체중증가율과 지방 조직의 양이 암컷대비 유의하게 높았고, 암컷의 난소 절제에 의해서도 체중증가율과 지방 조직이 수컷과 유사할 정도로 증가하였다. 지방 조직의 염증 또한 수컷과 난소 절제 암컷 군에서 암컷대비 높게 나타났다. 지방 조직 내 지방대사 지표 (ACC, FAS, LPL, HSL)는 수컷에서 암컷대비 지방 합성이 증가하고 지방 분해가 감소하는 방향으로 발현되었고, 암컷의 난소 절제도 같은 경향의 변화를 유발하였다. 증가한 지방 조직으로 인해 수컷과 난소 절제 암컷 군이 암컷대비 높은 혈중 leptin 농도를 나타냈고, 이로 인해 leptin sensitivity가 손상되어 식이 섭취량이 증가했음을 확인하였다. 반면에 수컷에서 암컷대비 공복 혈당과 공복 insulin은 높았고 adiponectin은 낮았으나, 난소 절제에 의한 유의적인 영향은 나타나지 않았다. 지방 조직에서 당 대사 지표 (PI3K, Akt, GLUT4) 발현을 분석한 결과, 수컷의 insulin sensitivity가 암컷대비 그리고 타 조직대비 강하게 손상된 것을 확인하였다. 분변 장내 미생물 조성 분석 결과는 수컷의 미생물 다양성이 암컷 대비 유의하게 낮고, 암컷의 난소 절제가 수컷과 유사한 미생물의 분포를 유발하는 것으로 나타났다. 또한 미생물 조성 비율에서 유의적인 성별 차이를 보이는 균주들이 난소 절제에 영향을 받거나 혹은 받지 않은 두 그룹으로 분류되었다. 결과적으로 본 연구는 에너지 대사 및 장내 미생물의 성별 차이에 에스트로겐 이외의 영향이 존재할 가능성과 조직 특이적으로 대사에 대한 반응성의 차이가 있음을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• I. 서 론 = 1
• Ⅱ. 문헌 고찰 = 4
• 1. 에너지 대사의 성별 차이 (Sex differences in energy metabolism) = 4
• 2. 에스트로겐과 에너지 대사 (Estrogen and energy metabolism) = 9
• 3. 장내 미생물과 에너지 대사 (Gut microbiota and energy metabolism) = 11
• Ⅲ. 연구 내용 및 방법 = 16
• 1. 실험 동물과 실험 디자인 = 16
• 2. 난소 절제술 (ovariectomy) 진행 = 18
• 3. 공복 혈당 (fasting blood glucose) 측정 = 18
• 4. 지방 조직의 지방세포 면적 (adipocyte area) 측정 = 19
• 5. 지방 조직 내 crown-like structure adipocyte의 개수와 대식세포 유입 (macrophage infiltration) 측정 = 19
• 6. 혈청 insulin, leptin 및 adiponectin 농도 측정 = 20
• 7. 지방 조직 단백질 발현 측정 = 20
• 8. 분변 내 미생물 분석 = 22
• 9. 통계 분석 = 23
• Ⅳ. 결 과 = 24
• 1. 체중 변화 = 24
• 2. 식이 섭취량 = 28
• 3. 조직 무게 = 31
• 4. 공복 혈당 및 혈청 내 insulin 농도 = 34
• 5. 지방세포 면적, crown-like structure adipocytes (CLS) 개수 및 대식세포 유입 (macrophage infiltration) = 37
• 6. 혈청 내 leptin 및 adiponectin 농도 = 43
• 7. 지방 조직 내 AMP-activated protein kinase (AMPK) 단백질 발현 = 46
• 8. 지방 조직 내 acetyl-CoA carboxylase (ACC) 단백질 발현 = 49
• 9. 지방 조직 내 fatty acid synthase (FAS) 단백질 발현 = 52
• 10. 지방 조직 내 lipoprotein lipase (LPL) 단백질 발현 = 55
• 11. 지방 조직 내 hormone sensitive lipase (HSL) 단백질 발현 = 58
• 12. 지방 조직 내 phosphoinositide 3-kinase (PI3K) 및 Akt 단백질 발현 = 62
• 13. 지방 조직 내 glucose transporter type 4 (GLUT4) 단백질 발현 = 66
• 14. 간 조직 내 phosphoinositide 3-kinase (PI3K) 및 Akt 단백질 발현 = 69
• 15. 지방 조직 내 leptin signaling 관여 분자 단백질 발현 = 73
• 16. 분변 내 미생물 조성 = 76
• Ⅴ. 고 찰 = 115
• Ⅵ. 요약 및 결론 = 131
• Ⅶ. 참고문헌 = 135