생화학분자생물학회

에너지 및 골 항상성 조절에서 시상하부 복내측핵 일차섬모의 기능 규명

Ventromedial hypothalamic primary cilia control energy and skeletal homeostasis

Journal of Clinical Investigation
https://doi.org/10.1172/JCI138107, 2020

연구배경​

  세계적으로 비만 및 당뇨 등과 같은 대사성질환의 발병률이 증가하면서 이와 함께 대사에너지 항상성 조절의 중요성이 대두되고 있다. 이러한 복합적인 원인을 통해 발생되는 대사성질환을 예방하고 치료, 조절하기 위해 중추신경계를 통한 항상성 조절기전 연구가 활발히 진행되고 있다.

 중추신경계 (central nervous system, CNS)는 우리 몸의 생리학적 균형을 유지하는 데 매우 중요하다. 특히 다양한 뇌 부위 중 시상하부 (hypothalamus)는 에너지 및 골대사 항상성을 포함한 신체기능 유지의 핵심 중추이다 (1,2). 최근 에너지 항상성 조절에 있어 시상하부에 존재하는 일차섬모 (primary cilia)가 중요한 세포 기관으로 대두되고 있으나, 이러한 연구는 시상하부 아치형핵 (arcuate nucleus, ARC)과 멜라노코르틴-시스템 매개를 통한 항상성 조절에 초점을 두고 있다 (3,4). 본 연구진은 선행연구를 통해 시상하부 복내측핵 (ventromedial hypothalamus, VMH)에 SF-1 뉴런을 특정하였고, 이 SF-1 뉴런이 자율신경계 조절 및 에너지 항상성 유지에 중요한 역할을 담당하고 있음을 밝힌 바 있다 (5-8). 최근 시상하부 복내측핵에도 일차섬모가 존재함이 보고되었으나 복내측핵에 존재하는 일차섬모의 기능에 관한 연구는 전무하였다 (9). 때문에 본 연구진은 이전까지 알려지지 않은 VMH 일차섬모의 기능과 에너지 및 골대사 항상성 조절의 분자세포학적 기전 연구를 진행하였다. 

연구결과

1. VMH특이적 일차섬모 제거 동물모델 구축과 비만표현형 관찰

 시상하부 복내측핵 (VMH)에 존재하는 일차섬모의 역할 규명을 위하여, 본 연구진은 VMH에서 특이적으로 발현하는 SF-1 Cre 마우스와 일차섬모의 주요 구성단백인 Ift88를 타깃하는 flox 마우스를 교배시켜 VMH 특이적 일차섬모 제거 마우스를 구축하였다. 그 결과, 일차섬모가 제거된 마우스 (KO)에서 몸무게가 증가하는 양상을 확인하였고, 이는 지방량의 증가로 인한 표현형임을 알 수 있었다. ​

그림 1. Cre-loxP및AAV-virus injection을 통한VMH특이적 일차섬모 제거 동물모델의 비만 표현형.

 일차섬모는 세포발생과 세포분열에 중요한 역할을 담당하는 것으로 보고되어있다 (10,11). 때문에 본 연구진은 KO마우스에서 관찰된 비만표현형이 선천적 결함일 가능성을 배제하고자 성체 마우스 VMH에 AAV-virus를 감염시켜 후천적 일차섬모 제거를 구현하였고, 후천적으로 일차섬모가 제거된 마우스에서도 동일한 비만표현형을 관찰할 수 있었다 (그림1). 이를 통해 복내측핵 일차섬모가 몸무게 조절에 중요한 세포소기관임을 제시하였다.​ 

2. VMH특이적 일차섬모 제거 동물모델의 에너지대사 결함

그림 2. VMH일차섬모 제거 동물모델에서 에너지 소비량 및 교감신경활성도의 감소 관찰.

 에너지 항상성은 에너지 섭취와 소비의 균형을 뜻한다. 본 연구진은 VMH 일차섬모 KO마우스에서 비만표현형을 관찰하여 이에 기전연구를 진행하였다. 그 결과, KO마우스의 먹이 섭취량 변화는 미미했으나 에너지 소비량이 현저하게 떨어져 있음을 확인할 수 있었다. 이와 함께 KO에서 교감신경 활성도 (혈중 노르에피네프린)가 떨어져있는 것을 관찰하였다 (그림2). 결과적으로 VMH 일차섬모 KO마우스의 비만은 에너지소비와 교감신경활성의 저하에 의한 표현형임을 제시하였다.​

3. 복내측핵 일차섬모 제거에 따른 Leptin 저항성 표현형

그림 3. VMH특이적 일차섬모 제거 동물모델의 Leptin 저항성 표현형 관찰.

 기존 연구에 따르면 일차섬모의 기능이상으로 인하여 지방유래 사이토카인의 일종인 leptin의 기능적 결함이 보고된 바 있다 (12,13). Leptin은 식이섭취량을 줄이고 에너지대사량을 늘리는 역할을 하는 주요 호르몬으로 알려져 있다 (14,15). 일차섬모와 leptin 간 상호연관성과 VMH 일차섬모 KO마우스에서 에너지소비량의 감소 표현형을 관찰한 바, leptin의 기능변화 유무를 관찰하고자 했다. 그 결과, KO마우스에서 VMH 특이적으로 leptin 반응성이 감소한 것을 확인했고, 이와 함께 leptin 주사시 대조군에서는 먹이섭취량이 감소하고 에너지 소비량이 증가하였으나, KO마우스에서는 leptin 반응성이 현저히 줄어든 것을 관찰했다 (그림3). 따라서 복내측핵 일차섬모의 존재는 정상적인 leptin 기능에 중요하게 관여함을 알 수 있었다.​ 

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4. VMH특이적 일차섬모 제거 동물모델의 골대사 변화​

 교감신경활성과 골밀도 조절의 상관관계 및 교감신경에 의한 골밀도 조절에 대한 기전이해는 미흡하였고, 시상하부 일차섬모에 의한 골대사 조절에 대한 연구는 전무하다. 본 연구진은 VMH 일차섬모 KO마우스에서 교감신경 활성도의 저하와 함께 비만표현형을 관찰하였으므로, 일차섬모에 의한 교감신경 조절이 골대사에도 큰 변화를 가져올 것이라는 가설을 새우고, 일차섬모와 골밀도 항상성과의 상관관계에 주목하고 연구를 진행하였다. ​

그림 4. 일차섬모KO마우스의 대퇴부 뼈의 골밀도 증가 관찰.

 흥미롭게도 VMH 일차섬모 KO마우스에서 골밀도가 증가함을 관찰할 수 있었고, 이러한 골밀도의 증가는 비만과는 별개로 뇌의 자율신경조절이상에 의한 결과임을 확인하였다 (그림4). 해부조직학적 분자기전 연구를 통하여, KO마우스에서 나타나는 골밀도의 증가의 기전을 연구하였다. 실제로 KO마우스의 경우 골파괴인자 발현량이 감소하였고, 골형성 속도가 대조군에 비해 빠른 것을 관찰할 수 있었다. 결과적으로 KO마우스의 교감신경 활성도의 저하로 인하여 골형성인자와 골파괴인자 사이의 항상성이 무너져 있기 때문에 보이는 표현형임을 알 수 있었다 (그림5). 

그림 5. VMH일차섬모 제거 동물모델에서 골형성인자와 골파괴인자 간 항상성 변화 관찰.

 본 연구를 통해, 시상하부 복내측핵에 존재하는 일차섬모가 우리 몸의 대사항상성과 함께 골항상성 유지에 필수적인 요소임을 제시하는 바이다.​

연구의 성과 및 의의 

 본 연구 성과 이전까지 시상하부 복내측핵에 존재하는 일차섬모의 역할 및 기능에 대한 연구는 전혀 알려진 바 없었다. 본 연구를 통하여 지금까지 알려지지 않았던 시상하부 복내측핵 일차섬모의 기능과 이의 중요성을 알 수 있었고, 특히 에너지대사뿐만 아니라 골 대사에 시상하부 복내측핵 일차섬모가 매우 중요함을 최초로 제시한 연구이다. 더불어 에너지 불균형으로부터 발생되는 대사성질환과 일차섬모 사이의 분자기전을 이해함으로써, 단순히 세포의 한 기관으로 인식되던 일차섬모의 중요성을 제시하고, 항상성 조절을 위한 새로운 기전의 확립, 더 나아가 대사질환 예방 및 치료법 개발의 단서를 제공할 것으로 기대한다.​ 

참고문헌

1. Shimazu T. Central nervous system regulation of liver and adipose tissue metabolism. Diabetologia. 1981;20(Suppl 1):343-56.

2. Hetherington AW, and Ranson SW. Hypothalamic lesions and adiposity in the rat. Anat Rec. 1940;78:149-72.

3. Davenport JR, Watts AJ, Roper VC, Croyle MJ, van Groen T, Wyss JM, et al. Disruption of intraflagellar transport in adult mice leads to obesity and slow-onset cystic kidney disease. Curr Biol. 2007;17(18):1586-94.

4. Siljee JE, Wang Y, Bernard AA, Ersoy BA, Zhang SM, Marley A, et al. Subcellular localization of MC4R with ADCY3 at neuronal primary cilia underlies a common pathway for genetic predisposition to obesity. Nat Genet. 2018;50(2):180-5.

5. Kim KW, Zhao L, Donato J, Jr., Kohno D, Xu Y, Elias CF, et al. Steroidogenic factor 1 directs programs regulating diet-induced thermogenesis and leptin action in the ventral medial hypothalamic nucleus. Proc Natl Acad Sci U S A. 2011;108(26):10673-8.

6. King BM. The rise, fall, and resurrection of the ventromedial hypothalamus in the regulation of feeding behavior and body weight. Physiol Behav. 2006;87(2):221-44.

7. Choi YH, Fujikawa T, Lee J, Reuter A, and Kim KW. Revisiting the Ventral Medial Nucleus of the Hypothalamus: The Roles of SF-1 Neurons in Energy Homeostasis. Front Neurosci. 2013;7:71.

8. Kim KW, Donato J, Jr., Berglund ED, Choi YH, Kohno D, Elias CF, et al. FOXO1 in the ventromedial hypothalamus regulates energy balance. J Clin Invest. 2012;122(7):2578-89.

9. Han YM, Kang GM, Byun K, Ko HW, Kim J, Shin MS, et al. Leptin-promoted cilia assembly is critical for normal energy balance. J Clin Invest. 2014;124(5):2193-7.

10. Ishikawa H, and Marshall WF. Ciliogenesis: building the cell's antenna. Nat Rev Mol Cell Biol. 2011;12(4):222-34.

11. Guo J, Otis JM, Higginbotham H, Monckton C, Cheng J, Asokan A, et al. Primary Cilia Signaling Shapes the Development of Interneuronal Connectivity. Dev Cell. 2017;42(3):286-300.

12. Seo SJ, Guo DF, Bugge K, Morgan DA, Rahmouni K, and Sheffield VC. Requirement of Bardet-Biedl syndrome proteins for leptin receptor signaling. Hum Mol Genet. 2009;18(7):1323-31.

13. Guo DF, Cui HX, Zhang QH, Morgan DA, Thedens DR, Nishimura D, et al. The BBSome Controls Energy Homeostasis by Mediating the Transport of the Leptin Receptor to the Plasma Membrane. PLoS Genet. 2016;12(2).

14. Mantzoros CS. Leptin and the hypothalamus: neuroendocrine regulation of food intake. Mol Psychiatry. 1999;4(1):8-12, 6-7.

15. Balthasar N, Coppari R, McMinn J, Liu SM, Lee CE, Tang V, et al. Leptin receptor signaling in POMC neurons is required for normal body weight homeostasis. Neuron. 2004;42(6):983-91.