Roles of hypothalamic FGF11 in the regulation of brown adipose tissue thermogenesis and improvement of metabolic diseases

국문 초록 (Abstract)

섬유아세포 성장인자 (Fibroblast grown factor)는 세포증식, 생존, 분화 등 광범위한 생물학적 기능을 조절한다. 기존에 알려진 바로는 섬유아세포 성장인자 1, 15/19, 21 등이 당 대사 향상, 몸무게 감소, 지방의 갈색지방화 등 대사에 많은 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 섬유아세포 성장인자11 (Fibroblast growth factor 11) 은 섬유아세포 성장인자의 구성요소 중 하나로서 FGF11 family (FGF11-14) 중 하나의 구성요소이다. 선행 연구들은 섬유아세포 성장인자 11은 저산소증 및 지방생성과 관련된 역할이 있다는 것을 밝혀냈지만, 섬유아세포 성장인자 11의 중추신경계와 관련된 대사 조절 역할은 전혀 알려져 있지 않다. 본 논문에서는 시상하부 궁상핵에서 섬유아세포 성장인자 11가 하는 역할에 대해 연구하였다. 시상하부 궁상핵 섬유아세포 성장인자 11을 발현억제 하였을 때, 고지방 식이 섭취 쥐에서 몸무게와 체지방량이 유의성 있게 감소하는 것을 관찰하였고, 당 대사가 개선되는것 또한 확인하였다. 이 쥐들은 대조군에 비해 높은 열 생산, 산소 및 이산화탄소 소모량을 나타냈으며, 대조군에 비해 높은 갈색지방 온도와 열 생산 유전자 발현을 보이기도 했다. 이러한 표현형의 원인을 찾기 위해 시상하부 궁상핵에서 발현되는 신경펩타이드의 발현을 관찰하였을 때, 신경펩티드 Y (Neuropeptide Y)의 발현만 감소감 있는 것을 확인할 수 있었다. 이후 신경펩티드 Y 발현세포에서 섬유아세포 성장인자 11이 발현되는 것을 확인하였고, 시상하부 궁상핵에서 섬유아세포 성장인자 11을 발현억제 했을 때 궁상핵에서 감소된 신경펩티드 Y 가 뇌실곁핵 (paraventricular nucleus; PVN)으로 투사하는 양이 적어져 PVN의 티로신 수산화효소 (Tyrosine hydrox-ylase)의 발현이 증가하는 것을 확인하였다. 또한, 섬유아세포 성장인자 11 억제로 인한 신경펩티드 Y의 감소가 섬유아세포 성장인자 11의 과발현으로 인해 다시 회복되는 것을 확인하였고, 당 결핍 상황에서 증가해야 할 NPY가 섬유아세포 성장인자 11억제로 인해 증가하지 않는 것을 관찰하였다. 섬유아세포 성장인자 11이 NPY를 조절하는 기전을 알아보기 위해 이를 발현 억제한 후 NPY상위 조절인자들을 탐색하였을 때, CREB (cAMP response element-binding protein)의 활성이 감소하고 GSK3 (Glycogen synthase kinase-3)의 활성이 증가하는 것을 확인하였다. 결과적으로, GSK3를 억제하였을 때 나타나는 CREB과 NPY의 변화가 섬유아세포 성장인자 11을 발현억제 하였을 때 역전되는 것을 확인함으로써 섬유아세포 성장인자 11이 GSK3-CREB을 조절함으로써 NPY 발현을 제어한다는 것을 밝혀내었다. 따라서 이 논문은 섬유아세포 성장인자 11의 새로운 기능을 밝혀내었으며, 특히 중추신경계에서의 대사조절관련 기능이 전혀 알려져 있지 않았던 섬유아세포 성장인자 11발현억제의 비만예방효과에 대한 역할을 알아냄으로써 섬유아세포 성장인자 11의 역할을 더 잘 이해할 수 있도록 앞으로의 연구에 도움을 줄 것을 기대한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Fibroblast growth factor 11 (FGF11) is a member of the intracellular fibroblast growth factor family. Here, I report the central role of FGF11 in the regulation of metabolism. Lentiviral injection of Fgf11 shRNA into the arcuate nucleus of the mouse hypothal-amus decreased weight gain and fat mass, increased brown adipose tissue thermogenesis, and improved glucose and insulin intolerances under high‑fat diet conditions. Fgf11 was expressed in the NPY–expressing neurons, and Fgf11 knockdown considerably decreased NPY expression and projection, leading to increased expression of tyrosine hydroxylase in the paraventricular nucleus. Mechanistically, FGF11 regulated Npy gene expression through the glycogen synthase kinase 3–cAMP response element‑binding protein pathway. This study demonstrates the metabolic importance of FGF11 in the central nervous system under over nutrition.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. Introduction 1
• 1. Hypothalamus 1
• 1.1 Anatomy & Functions 1
• 1.2 Hypothalamic arcuate nucleus (ARC) 1
• 1.3 Hypothalamic thermoregulation 2
• 2. Fibroblast growth factor 4
• 2.1 FGFs and metabolism 4
• 2.2 FGF11 6
• 3. GSK3 6
• 4. Aims of the study 8
• Ⅱ. Materials and methods 9
• 1. Animals 9
• 2. Generation of lentiviruses 9
• 3. Stereotaxic surgery 10
• 4. Insulin tolerance test (ITT) and glucose tolerance test (GTT) 10
• 5. Determination of brown adipose tissue (BAT) temperature 10
• 6. Determination of heat generation, O2 consumption (VO2), CO2 production (VCO2), respiratory exchange ratio (RER), and total locomotor activity 11
• 7. In situ hybridization 11
• 8. Immunohistochemistry 12
• 9. Measurement of immunofluorescence intensity 12
• 10. Quantitative RT‑PCR analysis of mRNA expression 13
• 11. Antibodies and chemical reagents 14
• 12. Western blotting 14
• 13. Cell lines 15
• 14. 2DG and 0‑mM glucose treatment 15
• 15. siRNA transfection 15
• 16. Statistical analysis 16
• Ⅲ. Results 17
• 1. Regional distribution of Fgf11 in the brain 17
• 2. Hypothalamic ARC Fgf11 knockdown prevents obesity 19
• 3. Hypothalamic ARC Fgf11 knockdown increases heat generation, VO2, VCO2 without canging locomotor activity 25
• 4. Hypothalamic ARC Fgf11 knockdown induces BAT thermogenesis 27
• 5. ARC NPY neurons express Fgf11 29
• 6. Decreased NPY projection from ARC into the PVN caused by ARC Fgf 11 knockdown increases PVN TH expression in HFD-fed mice 31
• 7. Fgf11 knockdown decreases NPY gene expression in hypothalamic cells 36
• 8. Fgf11 overexpression rescues Fgf11 knockdown-induced decrease in NPY gene expression 39
• 9. Fgf11 knockdown blunts glucose starvation induced NPY induction 41
• 10. Fgf11 knockdown decreases CREB activity 44
• 11. Fgf11 knockdown increases GSK3 activity 46
• 12. Fgf11 regulates Npy mRNA expression through GSK3‑dependent CREB activity 49
• Ⅳ. Discussion 52
• Ⅴ. Conclusion 56
• Ⅵ. References 57
• Abstract in Korean 63