Regulation of energy homeostasis : roles of FoxO1 in dopaminergic neurons and characterization of gallic acid as an AMPK activator

국문 초록 (Abstract)

전신의 에너지 항상성 유지는 조절 시스템들 (신경계, 내분비계, 면역계)의 기능적인 조화와 표적 기관 (간, 근육, 지방 조직 등)에 대한 즉각적인 반응이 요구된다. 세포 및 분자 신호 수준에서 복잡하고 섬세한 조절 기전을 통해 중추 신경계에서는 정상적인 생리적 상태를 보존하기 위하여 말초 기관의 기능과 활성을 조절한다. 조절 기전의 유지가 실패하거나 표적 기관에 대한 즉각적인 기능이 손상 되었을 때 비만과 당뇨와 같은 대사 질환을 유발될 수 있다. 어떻게 신체가 순응하여 항상성을 유지하기 위해 에너지 균형을 조절하는가에 대한 이해는 대사 질환들의 관리에 있어 효율적인 치료 전략을 세우는데 중요한 핵심 요소가 된다.
첫째 장에서, 본 연구진은 도파민 신경 FoxO1의 대사조절적 역할 조사를 통해 신체 항상성 조절의 이해를 확장하기 위한 연구를 진행하였다. 시상하부에서 FoxO1은 렙틴, 인슐린과 같은 대사조절 호르몬의 기능을 중재하는데 있어 중요한 역할을 담당한다. 하지만, 섭식행동, 음식 소비량, 에너지 균형을 조절하는 것으로 알려진 도파민 신경계에서 FoxO1의 항상성에 대한 역할은 조사되지 않았다. 도파민 신경에서 FoxO1의 기능을 연구하기 위해, 본 연구진은 Cre-loxP system을 이용한 도파민 신경 선택적 FoxO1 결핍 쥐를 생산하였다. 도파민 신경 선택적 FoxO1 결핍 쥐에서 에너지 소비량과 갈색지방 기능이 유의하게 증가되어 있었다. 더욱이, FoxO1 결핍 쥐는 인슐린 민감성이 증가하였고 도파민 및 노르에피네피린 값이 또한 증가함을 보였다. 또한 FoxO1은 직접적으로 티로신수산화효소의 전사를 억제한다는 것을 확인 할 수 있었다. 이러한 발견은 도파민 신경에서 FoxO1이 섭식 행동뿐만 아니라 에너지 소비와 대사 항상성 조절에 중요한 역할을 함을 시사한다. 또한, FoxO1에 의한 티로신수산화효소의 전사 조절의 규명은 신진대사와 도파민 계의 관련성을 제시한다.
두 번째 장에서, 본 연구진은 천연으로부터 유래된 물질의 비만 및 당뇨 등 대사 질환의 예방과 치료를 목적으로 하는 약물 후보를 규명하고자 하였다. 특히, 말초 기관 (간, 근육, 지방 조직)에서 AMPK 활성은 대사 조절에 많은 이로운 점을 보였기 때문에 AMPK 신호를 조절하는 파이토케미컬을 스크리닝 하였다. 그 중 갈릭산이 AMPK를 강하게 활성시키는 것을 확인하였다. In vitro 및 in vivo 실험을 통하여, 갈릭산이 PGC1a 및 Sirt1의 활성을 통해 미토콘드리아 생합성을 증진시키는 것을 확인하였다. 또한, 비만 유도 쥐에서 갈릭산을 처치하였을 때 혈당 및 인슐린 항상성이 유의하게 향상되었고, 몸무게 증가가 억제되는 것을 확인하였다. 더욱이, 에너지 소비와 관련된 UCP1과 및 여러 유전자들이 갈릭산 처치 쥐의 갈색지방에서 유의하게 증가됨을 관찰하였다. 종합적으로, 이러한 결과들은 갈릭산이 AMPK/Sirt1/PGC1a 경로의 활성과 갈색지방의 에너지 발생 관련 유전자들의 활성화를 통하여 대사에 이로운 효과를 보임을 시사한다. 따라서, 본 연구는 갈릭산에 의한 AMPK/Sirt1/PGC1a 경로를 활성 시킬 수 있는 물질 또는 그 파생물이 대사 질환에서 인슐린 저항성을 중재할 수 있는 잠재적 치료제가 될 수 있음을 시사한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Maintenance of whole-body energy homeostasis requires the functional orchestration of regulatory systems (nervous system, endocrine and immune systems) and responsive target organs (liver, muscle and adipose tissue, etc.). Through complex and tight regulatory mechanisms at the circuit, cellular and molecular signaling levels, the central nervous system (CNS) coordinates the functions and activities of peripheral organs to preserve normal physiological conditions. Failure to maintain these regulatory mechanisms or defect in the functions of regulatory systems and/or responsive target organs can lead to metabolic disorders such as obesity and diabetes. Understanding how the body controls the energy balance to maintain homeostasis over time is a key in establishing efficient therapeutic strategies in management of metabolic diseases.
In the first part of the thesis, the metabolic role of forkhead box transcriptional factor O1 (FoxO1) in dopaminergic (DA) neurons was investigated in an effort to expand the knowledge on the central regulation of metabolic homeostasis beyond hypothalamus, a well-known brain region that controls all aspects of body homeostasis. FoxO1 in the hypothalamus has been demonstrated to play a crucial role in mediating the functions of metabolic hormones such as leptin and insulin. However, the homeostatic role of FoxO1 in DA neuron system, also known for modulating feeding behaviors, food consumption and energy balance, has not been investigated. To address this question, mice lacking FoxO1 in DA neurons (FoxO1 KODAT mice) were generated using the Cre-loxP system to investigate the functional significance of FoxO1 in DA neurons. The results showed that FoxO1 is highly expressed in DA neurons and DA-specific FoxO1 knockout mice displayed markedly increased energy expenditure and interscapular brown adipose tissue (iBAT) thermogenesis accompanied by reduced fat mass and improved glucose/insulin homeostasis. Moreover, FoxO1 KODAT mice displayed higher sucrose preference in concomitance with increased dopamine and norepinephrine levels. Finally, both in vitro and in vivo data indicated that FoxO1 directly targets and negatively regulates tyrosine hydroxylase expression, the rate-limiting enzyme of the catecholamine synthesis, delineating a mechanism for the knockout phenotypes. These findings reveal that FoxO1 in DA neurons is not only important for feeding behavior but also plays a critical role in the regulation of energy expenditure and metabolic homeostasis. In addition, identification of transcriptional regulation of tyrosine hydroxylase by FoxO1 might link metabolism and DA system.
The second part focused on the identification of pharmacological candidates from natural compounds for prevention and/or treatment of metabolic disorders such as obesity and diabetes. Particularly, phytochemicals targeting the AMP-activated protein kinase (AMPK) signaling were screened because AMPK activation in the peripheral organs (liver, muscle and adipose tissue) has been shown to give many beneficial metabolic effects. Moreover, it has been recently proposed that the benefits of many natural compounds such as resveratrol, curcumin, berberine, catechins on metabolism are not only related to the antioxidant effects but also linked to the AMPK activation. The best potential candidate is gallic acid (3,4,5-trihydroxybenzoic acid, GA) which can activate AMPK to enhance glucose homeostasis. Both in vitro and in vivo data demonstrated that GA strongly activates AMPK signaling to enhance mitochondrial biogenesis through activation of peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1a (PGC1a) and silent information regulator T1 (Sirt1). In addition, diet-induced obese mice treated with GA showed significantly improved glucose and insulin homeostasis and resisted to diet-induced body weight gain without change in food intake. Moreover, uncoupling protein 1 (UCP1) and other genes related to energy expenditure were significantly elevated in the iBAT of GA-treated mice. Together, these results indicate that GA plays beneficial metabolic roles by activating AMPK/Sirt1/PGC1a pathway and by changing iBAT genes related to thermogenesis. Hence, this study points out that targeting the activation of AMPK/Sirt1/PGC1a pathway by GA or its derivatives might be a potential therapeutic intervention for insulin resistance in metabolic diseases.