Effect of Dietary Carbohydrate on GPDH isozymes in Drosophila melanogaster

Abstract

Glycerol-3-phosphate dehydrogenase (GPDH) in Drosophila melanogaster consists of a family of three isozymes designated as GPDH-1, 2, and 3. These enzymes are encoded by single structural gene, but multiple transcripts of Gpdh are produced through alternative processing of 3'-terminal exons. Each isozyme plays distinct roles in the metabolism of Drosophila species. Moreover, they are uniquely distributed with respect to developmental and tissue-specific expression. In this study, we have examined the relative effects of dietary carbohydrates on GPDH isozymes in both larvae and adults of Drosophila. GPDH tissue activity was measured by spectrophotometric method, and GPDH cross-reacting material (CRM) was calculated by radial immunodiffusion. Northern analysis was performed to investigate changes in GPDH isozyme-specific transcripts. GPDH activities were significantly increased in response to additional amounts of several different carbohydrates. GPDH CRMs also was increased in proportion to the dietary carbohydrate concentration. These observations indicate that the diet-induced change in GPDH activity is due to the modulation of CPDH CRM. The carbohydrate-stimulated increase of GPDH in larvae appears to be involved with the function of the larval isozyme, GPDH-3, which plays a role in the diversion of carbohydrate into lipid. Compared to larvae, GPDH activities and CRMs in adult flies were shown to be a little increase with increasing carbohydrate concentration. However, staining activity in CRMs was reduced by high concentration of carbohydrate. In the case of adult, the exact modulating effects on functionally distinct GPDH isozymes are hard to discern in the protein level, because all the isozymes are present at the adult stage. With respect to transcript abundance, Northern analysis showed that Gpdh-411 transcript, encoding adult-limited GPDH-1, was repressed in high-carbohydrate diet. The change in GPDH-1 appears, in part, to stressful response to a high-carbohydrate diet. As a result, these findings suggest that GPDH isozymes can respond to dietary carbohydrate to varying degrees. In addition, the regulation of isozymes by the diet is possibly involved with tissue-specific function.;Glycerol-3-phosphate dehydrogenase(GPDH)는 모든 진핵세포에 존재하는 수용성 단백질로서, 자연 집단의 초파리에도 풍부하게 존재하고 있는 효소이다. GPDH는 탄수화물을 지질대사에서 필요로 하는 전구체로 전환시키는 중요한 역할을 하며, 또한 glycerophosphate cycle에 참여하여 초파리의 비상(flight)에 필요한 ATP 합성에 관여한다. 노랑초파리(Drosophila melanogaster)에서는 이런 다양한 역할을 하나의 유전자에서 유래된 세 종류의 isozyme들이 담당하고 있으며, 발생단계에 따라, 조직에 따라 선택적으로 발현이 된다고 보고되어 있다. 본 연구에서는 glucose, sucrose, starch를 각각 농도별로 처리한 배지에서 성장한 노랑초파리의 유충과 성체를 수집하여 dietary carbohydrate가 GPDH isozyme의 발현에 어떤 영향을 미치는지를 알아보고자 하였다. GPDH의 효소활성도와 radial immunodiffusion을 통한 GPDH cross-reacting material(CRM)을 측정하였으며, 또한 GPDH isozyme 전사체의 변화량은 Northern analysis를 실시하여 규명하고자 하였다. 유충에서는 carbohydrate의 농도가 높을수록 GPDH 효소활성도가 유의적으로 증가하였으며, carbohydrate 종류에 따른 차이도 관찰되었다. 즉, starch와 같은 다당류보다는 glucose, sucrose같은 단, 이당류로 인해 GPDH 발현량이 더 많이 증가되었다. 또한 radial immunodiffusion을 통한 CRM 측정을 한 결과, GPDH 효소활성도량의 증가는 주로 GPDH 합성의 증가로 인함을 알 수 있었다. 유충에 존재하는 GPDH-3은 지질대사에 관여하기 때문에, 탄수화물의 농도가 높아질수록 지질로 전환될 수 있는 기질이 증가하기 때문이라 생각된다. 성체에서는 GPDH 효소활성도와 CRM 값이 carbohydrate 농도가 증가함에 따라 약간 증가하기는 했으나, staining activity는 오히려 감소하였다. 그러나 성체에서는 유충에서와는 달리 GPDH isozyme 들이 모두 발현되는 시기이기 때문에, 기능이 다른 GPDH isozyme들에 대한 dietary carbohydrate 영향을 단백질 수준에서 정확히 구별할 수 없었다. Northern analysis 결과, 성체에서만 발현되는 GPDH-1이 오히려 carbohydrate농도가 높을수록 감소되는 경향을 보였다. 이와 같은 GPDH-1의 변화는 high-carbohydrate 배지에 대한 stress response와 연관이 있는 것으로 생각된다. 결론적으로, GPDH isozyme들은 배지내의 carbohydrate의 농도변화에 따라 다양하게 반응을 하며, 또한 각 isozyme들이 위치하고 있는 조직의 기능과 관련이 있음을 알 수 있었다.