Endogenous catalase plays a role in adipose tissue macrophage polarization

Abstract

Macrophage is activated into two phenotypes, classically activated (M1) macrophage and alternatively activated (M2) macrophage. Both the number of M1 macrophages and the M1-to-M2 ratio are associated with chronic inflammation that induces insulin resistance in white adipose tissue (WAT). Increased reactive oxygen species (ROS) in WAT plays a critical role in insulin resistance. The present study, thus, examined whether endogenous catalase deficiency influences adipose tissue macrophage (ATM) polarization leading to WAT dysfunction. 17-weeks old catalase knock-out (CKO) and wild type (WT) C57BL/6J mice were fed a normal diet (ND, 18% of total calories from fat) or a high fat diet (HF, 60% of total calories from fat). Twenty one weeks after HF feeding, plasma insulin and HOMA-IR were highest in CKO HFD mice among experimental groups, suggesting that catalase deficiency exacerbated HF-induced insulin resistance. Plasma FFA, TG, and LDL/VLDL level were elevated in CKO ND mice compare to WT ND mice. In CKO HFD mice, plasma FFA was increased compare to WT HFD mice. Infiltrated macrophages in epididymal tissue were increased in CKO group compared to those of WT group. mRNA level of M1 macrophages were increased and that of M2 macrophages were decreased in epididymal stromal vascular fraction (SVF; containing ATM) in CKO ND mice than in WT ND mice. In epididymal WAT, the number of crown like structures (CLS) which were formed by M1 macrophages was higher in CKO HFD mice than in WT HFD mice. Furthermore, mRNA level of M2 macrophage marker was decreased in epididymal SVF of CKO HFD mice than in that of WT HFD mice. In CKO groups, peroxisomal biogenesis and function were impaired in SVF. In epididymal WAT, JNK phosphorylation was increased and Akt (ser473) phosphorylation was decreased in CKO ND mice compare to in WT ND mice. Consistent with in vivo results, RAW 264.7 cells treated with only 3-aminotriazole (3-AT), catalase activity inhibitor, were induced inflammation. Also, 3-AT accelerated palmitate-induced inflammation. These data suggest that macrophage endogenous catalase may play an important role in ATM polarization to increase M1 macrophages under normal condition as well as HF metabolic stress. ;대식세포는 지방이나 간 조직으로 침투하여 많은 염증 유발 사이토카인들을 분비하여 만성적이며 저도의 염증상태를 유도하고 인슐린 저항성을 일으킨다. 대식세포는 크게 M1, M2 두 가지 활성형으로 분류할 수 있는데 M1은 염증작용을 주로 하며 M2는 항 염증, 조직회복 등의 역할을 한다. 활성은 주로 환경에 의해서 바뀌며 비만상태의 경우 지방세포는 M1이 우세하게 증가하게 된다. 지방조직에서 활성산소 종의 증가는 염증과 인슐린 저항성을 일으키는데 중요한 역할을 하는데, 최근 연구에서 catalase의 결핍 시 비만으로 유도되는 대식세포의 지방과 간 조직으로의 침투가 증가하고 인슐린 저항성이 증가하는 것을 보여주었다. 본 연구에서는 catalase가 대식세포의 M1, M2의 활성에 영향을 줄 것이라는 가설을 세우고 이에 대해 연구하였다. Catalase 결핍이 대식세포의 활성형에 미치는 영향을 알아보기 위해 야생형 (wild type: WT) 수컷 생쥐와 catalase 결핍 (catalase knock-out: CKO) 수컷 생쥐를 사용하였다. 17주령부터 21주 동안 고지방식이 또는 일반식이를 공급하였을 때, 고지방식이를 한 CKO 생쥐의 절대적인 피하지방이 고지방식이를 한 WT 생쥐에 비하여 증가하였다. 혈중 자유지방산, 중성지방, 저밀도 지단백은 일반식이 WT 생쥐에 비하여 일반식이 CKO 생쥐에서 증가하였고, 고지방식이한 CKO 생쥐는 고지방식이한 WT 생쥐에 비하여 혈중 자유지방산의 농도가 증가하였다. 또한 고지방식이한 CKO생쥐가 고지방식이한 WT 생쥐보다 고인슐린혈증과 인슐린저항성이 악화되었다. 지방조직 내에 대식세포지표인 F4/80가 CKO 생쥐군에서 WT 생쥐군 보다 증가한 것을 확인할 수 있었다. 이후 실험은 대식세포에 더 선택적인 실험을 하기 위해서 지방조직에서 지방세포를 제외한 부분인 SVF 분리하여 실험을 진행하였다. M1 대식세포 지표인 CD11c, TNFα, PAI-1이 정상식이 WT 생쥐군보다 CKO 생쥐군에서 더 증가하였으며 M2 대식세포 지표인 CD206과 arginase-1은 감소하였다. 지방식이를 한 생쥐군들 사이에서는 M1 대식세포 지표인 PAI-1이 CKO 생쥐군에서 증가하였고 M2 지표로는 CD206이 감소하였다. 또한 M1 대식세포로 구성되어있는 왕관모양의 대식세포가 WT 생쥐들에 비해 CKO 생쥐들에서 증가한 것을 확인 할 수 있었다. Catalase가 주로 존재하는 페록시좀의 기능과 생성이 WT 생쥐군에 비하여 CKO 생쥐군에서 감소하였으며 그와 유사한 기능을 가진 미토콘드리아의 기능이 증가되었다. 그리고 지방세포의 염증과 인슐린 저항성이 일반식이 WT 생쥐군에 비하여 일반식이 CKO 생쥐군에서 증가하였다. 더 대식세포 선택적인 실험을 하기 위해서 RAW 264.7이라는 대식세포를 가지고 더 실험을 진행하였다. Catalase 활성 억제제인 3-aminotriazole를 주었을 때 염증이 증가하였으며 지방산(palmitic acid)로 인한 염증과 M1 대식세포로의 활성 또한 증가하는 것을 확인 할 수 있었다. 이와 유사하게 유전적으로 catalase를 억제하였을 때 염증이 증가하였다. 이와 같은 결과는 catalase가 일반적 상태나 고지방식이에 의해 유도되는 대사성 스트레스 상태에서 대식세포가 M1 대식세포로 활성하는 것을 억제하는 기능을 하며 염증과 인슐린 저항성으로부터 보호한다고 생각할 수 있다.