BCAA-induced changes in appetite-regulating genes and histone acetylation

Abstract

Branched chain amino acids (BCAA) are a kind of essential amino acids which include leucine, isoleucine, and valine, and they are known to regulate appetite and their related genes in vivo and in vitro. Hypothalamus is a principal organ to regulate food intake and energy metabolism. Appetite-regulating neurons such as Neuropeptide Y (NPY), Agouti related protein (AgRP), Pro-opiomelanocortin (POMC), and/or Melanocortin-4 receptor (MC4R) are located in the hypothalamus. The study of appetite-regulating genes, especially regulating mechanisms of AgRP and association between MC4R mutations and obesity were numerously investigated. AgRP is down-regulated by leucine and its mechanisms are mainly explained through mammalian target of rapamycin (mTOR) pathways and some other transcription factors, including GPR17 and Klf4. Little is investigated whether epigenetic modifications are involved in regulating AgRP, MC4R, and other appetite regulating genes. Epigenetic regulation of gene expression refers to gene regulation through chromatin conformation changes without alterations in DNA sequence per se. In the present study, effect of BCAA and leucine on appetite regulating gene, AgRP and MC4R, and their related factors were examined in murine hypothalamic GT1-7 cells. Forty-eight hr treatment of BCAA and leucine tended to reduce AgRP mRNA expressions, while they increased MC4R protein expression. However, MC4R mRNA expressions were significantly down-regulated upon BCAA and leucine treatment. Klf4, a transcription regulator of AgRP, and Sirt1 mRNA expression were up-regulated upon 48 hr treatment of leucine. Decreased acetylation of histone H3 K9 was concurrently occurred with increased Sirt1 mRNA expression upon 48 hr treatment of BCAA and leucine. However, long-term treatment of leucine down-regulated Sirt1, while the effect on MC4R mRNA expression was remained. The discrepancy between short-term and long-term leucine treatment is possibly due to sensitivity characteristics of Sirt1 on nutrient availability. The results indicated that mechanisms of regulating MC4R upon BCAA and leucine stimulus seem to be independent from that of AgRP. Our results also implied that histone acetylation is partially involved in the process of appetite regulation upon BCAA and leucine treatment.;본 연구는 분지아미노산이 식이조절유전자에 미치는 영향을 MC4R, AgRP의 전사 인자와 히스톤 아세틸화의 변화에 초점을 맞추어 진행하였다. 필수 아미노산 중의 하나인 분지아미노산은 류신, 이소류신, 발린의 세 가지 아미노산을 일컫는다. 분지아미노산, 특히 류신은 동물모델과 세포모델에서 식이섭취를 낮추고 식이조절관련 유전자를 변화시킨다고 알려져 있다. 뇌의 시상하부는 식이섭취와 에너지 대사를 관장하는 주요한 기관으로 식이 조절 뉴런인 Neuropeptide Y (NPY), Agouti related protein (AgRP), Pro-opiomelanocortin (POMC)와 Melanocortin-4 receptor (MC4R) 등이 밀집되어 있다. 식이 섭취 관련 유전자에 관한 연구는 다양하게 이루어지고 있으며, 특히 AgRP와 MC4R과 관련된 연구가 많이 이루어졌다. 식욕 증진 유전자인 AgRP의 조절 기전에 대한 연구와 함께 비만과 관계가 있다고 보고되는 MC4R 돌연변이와 다형성에 관한 연구가 주를 이룬다. 류신에 의한 식이 섭취의 감소는 시상하부의 AgRP의 발현을 저해하면서 일어난다고 알려져 있다. AgRP의 조절은 mTOR 경로를 통한 기전과 함께 GPR17, Klf4와 같은 몇몇 전사 인자들로 주로 설명되어왔다. 하지만 MC4R의 전사 조절에 대한 연구는 미미한 실정이며 특히, AgRP와 MC4R의 발현을 조절하는 후생유전학적 변화인자에 대한 연구는 이루어지지 않고 있다. 후생유전학적 조절이란 DNA 서열의 변화 없이 Chromatin 구조의 변화로 유전자 발현을 조절하는 것을 의미한다. 따라서 본 연구에서는 분지아미노산과 류신이 AgRP와 MC4R 및 관련 인자에 미치는 영향을 시상하부 세포주인 GT1-7에서 규명하였다. 분지아미노산과 류신은 AgRP mRNA 수준을 조절하지 않았으나, MC4R 단백질 발현을 증가시켰다. 반면 분지아미노산과 류신은 MC4R mRNA 발현은 현저하게 감소시켰다. AgRP의 전사인자로 알려진 Klf4의 발현은 분지아미노산과 류신에 의해 증가되었으며, AgRP와 MC4R의 조절 기전 상위에 위치한 Sirt1의 전사 또한 증가되었다. Sirt1은 단백질 탈아세틸화 및 히스톤단백질 탈아세틸화를 일으킨다고 알려져 있으며 본 실험에서는 Sirt1의 증가와 함께 히스톤 H3 K9의 아셀틸화 수준이 감소된 것으로 관찰되었다. 이는 분지아미노산과 류신에 의하여 히스톤 아세틸화 정도가 변화함을 처음으로 보였다는 점에서 의미가 깊다. 또한 AgRP의 발현과 관계없이 나타난 이러한 변화는 분지아미노산과 류신에 의해 MC4R을 조절하는 기전이 AgRP와는 독립적으로 있을 가능성을 시사한다.