A Study of Peroxiredoxin 5 functions on Obesity : 비만에서의 퍼옥시레독신 5 의 기능 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Elevated levels of reactive oxygen species (ROS) are a hallmark of obesity. Peroxiredoxin 5 (Prx5), which is a cysteine-dependent peroxidase enzyme, has an intensive ROS scavenging activity because it is located in the cytosol and mitochondria. Therefore, we focused on the role of Prx5 in regulating mitochondrial ROS in relation to adipogenesis and hepatic steatosis. We demonstrated that Prx5 expression was upregulated during adipogenesis and Prx5 overexpression suppressed adipogenesis by regulating cytosolic and mitochondrial ROS generation. Silencing Prx5 promoted preadipocytes to differentiate into adipocytes accumulating lipids by activating adipogenic protein expression. In addition, we certified that Prx5 overexpression suppressed lipogenesis gene expression, resulting in inhibition of hepatic steatosis. We also confirmed physiological role of Prx5 in vivo systems. Prx5-deletion mice fed on a high-fat diet (HFD) exhibited significant increase in body weight, enormous fat pads, and adipocyte hypertrophy in comparison to wild type mice. Prx5 deletion also remarkably induced adipogenesis-related gene expression in white adipose tissue. These phenotypic changes in Prx5-deletion mice were accompanied with lipid metabolic disorders, such as excessive lipid accumulation in the liver, severe hepatic steatosis, and high levels of triglyceride in the serum. These results demonstrated that Prx5 deletion increased the susceptibility to HFD-induced obesity and several of its associated metabolic disorders. In conclusion, we suggest that Prx5 inhibits adipogenesis and hepatic steatosis by modulating ROS generation, implying that Prx5 may serve as a potential strategy to treat obesity and obesity related complications.

국문 초록 (Abstract)

과도한 ROS 생성은 비만을 일으키는 주요 원인으로 알려져 있다. 최근, 이러한 ROS를 효과적으로 제거하는 것이 비만을 예방 및 치료할 수 있는 것으로 보고되고 있다. Peroxiredoxin 5는 세포질과 미토콘드리아에 존재하기 때문에 강력한 ROS 소거능력을 가진다. 따라서, 본 연구에서는 백색지방세포 및 간 세포에서의 미토콘드리아 유래 ROS 및 지방 축적 조절에 대한 Prx5의 역할에 대해 연구하였다. 백색지방 분화과정에서 Prx5 과발현은 세포질 및 미토콘드리아의 ROS 생성을 조절함으로서 백색지방의 지방형성을 억제하였다. 반면에 Prx5를 억제하였을 때, 백색지방 분화에 관련된 유전자의 발현이 증가하여 지방형성이 과도하게 증가하였다. 또한, 간 세포에서의 Prx5 과발현은 유리지방산 처리에 의해 유도된 지방간을 억제하였다. 이는 간세포에서의 지방형성에 관여하는 인자인 SREBP1의 발현을 억제하고 AMPK 활성 조절을 통해 지방산 산화를 촉진하는 것을 통해 Prx5가 지방간을 완화시키는 것을 알 수 있었다. 이와 반대로 Prx5를 억제하였을 때 SREBP1의 발현을 증가시켜 지방형성을 촉진하여 간세포의 지방축적을 증가시킨 것을 확인하였다. In vivo 환경에서의 Prx5의 역할을 확인하기 위해Prx5가 결손된 마우스 모델에 고지방 식이를 제공하여 비만을 유도하여 비만과 지방간의 진행 정도를 확인하였다. 그 결과, Wild-type마우스에 비교해서 체중 증가, 거대한 지방층 형성 및 지방구 비대증이 나타났다. 또한 Prx5가 결손된 마우스에서 분리한 조직에서 백색지방 분화와 지방생성을 촉진하는 유전자의 발현이 크게 증가하였다. 이러한 변화는 비이상적인 지방대사와 함께 동반되었다. Prx5가 결손된 마우스에서 높은 혈당 수치 및 지질 축적, 인슐린 저항성과 렙틴 저항성이 나타났다. 특히 간 조직에서 과도한 지방축적과 지방간 증상이 나타났고 SREBP1의 발현이 크게 증가하였다. 본 연구는 Prx5가 산화적 스트레스 조절을 통해 비만 및 비만과 동반되는 2차적인 만성 대사성 질환의 예방 및 치료에 도움이 될 것으로 사료된다.

목차 (Table of Contents)

• LIST OF FIGURES iv
• Ⅰ. INTRODICTION 1
• 1. Obesity 1
• 2. Adipocyte 6
• 2.1 White adipocyte 6
• 2.2 Adipogenesis 7
• 3. Nonalcoholic fatty liver disease (NAFLD) 10
• 4. Redox system 13
• 4.1 Oxidative stress in Obesity and NAFLD 13
• 4.2 Peroxiredoxins 18
• 5. Purpose 21
• Ⅱ. MATERIALS AND METHODS 22
• 1. Materials 22
• 2. Cell culture, differentiation and treatment 22
• 3. Fat-overloading induction in HepG2 cells 23
• 4. Lentivirus generation and establishment of a stable cell line 23
• 5. Analysis of intracellular and mitochondrial ROS 25
• 6. Analysis of intracellular superoxide 25
• 7. Protein extraction and western blot analysis 26
• 8. Quantitative reverse transcriptase PCR (qRT-PCR) 27
• 9. Oil Red O staining 28
• 10. Animal care and experimental design 28
• 11. Histological analysis 29
• 12. Serum and hepatic analysis 30
• 13. Immunihistochemistry 30
• 14. Statistical analysis 31
• Ⅲ. RESULTS 32
• 1. Peroxiredoxin 5 regulates adipogenesis-attenuating oxidative stress in 3T3L1 cells. 32
• 1.1 Insulin treatment enhances the expression of Prxs and generation of ROS 32
• 1.2 Prx5 regulates adipogenesis by modulating the expression of adipogenic genes 36
• 1.3 Prx5 regulates insulin-induced intracellular and mitochondrial ROS generation 40
• 1.4 Suppression of Prx5 activity enhances adipogenesis in 3T3L1 cells 44
• 2. Deletion of Peroxiredoxin 5 increases susceptibility to high fat diet induced obesity. 47
• 2.1 Deletion of Prx5 increases susceptibility to HFD-induced obesity and ROS production 47
• 2.2 Prx5 -/- mice exhibit markedly increased fat mass and adipocyte hypertrophy 51
• 2.3 Prx5 -/- mice exhibit damaged lipid metabolism and high levels of triglyceride in serum 56
• 2.4 Prx5 -/- mice exhibit markedly altered glucose tolerance and leptin-insulin resistance 57
• 3. Peroxiredoxin 5 modulates hepatic steatosis through the regulation of oxidative stress. 59
• 3.1 FFA treatment induces hepatic steatosis and lipid accumulation 59
• 3.2 FFA-induced hepatic steatosis induces the ROS production and up-regulation of Peroxiredoxin 5 62
• 3.3 Prx5 regulates FFA-induced intracellular and mitochondrial ROS generation 65
• 3.4 Prx5 suppresses FFA-induced hepatic steatosis and lipid accumulation 68
• 3.5 Deletion of Prx5 accelerates hepatic lipogenesis in HFD-induced obese mouse 72
• 3.6 Prx5 -/- mice exhibit increased hepatic inflammation 74
• 3.7 Prx5 -/- mice display severe hepatic steatosis 78
• Ⅳ. DISCUSSION 83
• Ⅴ. REFERENCES 91
• ABSTRACT (in Korean) ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙99
• ABSTRACT (in English) ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙101