Integration of multiomics data and biochemical phenotypes to evaluate the functionality of Korean black raspberries in the exercise challenge protocol

Abstract

건강지표는 건강한 상태에서 나타나는 작은 효과를 적절하게 측정할 수 있어야 한다. 이러한 지표는 질환의 발병 과정에서 산화적 또는 염증 스트레스에 반응하는 우리의 능력을 예측하는데 이용될 수 있다. 그러나, 많은 중재연구에서 이러한 지표는 건강 상태에서 주로 측정되며, 항상성과 개체 간 변이로 인하여 중재 효과는 쉽게 잘못 해석될 수 있다. 이에 이러한 장애물을 극복하기 위하여 항상성 도전 방법을 적용한 새로운 개념이 정립되고 있다. 한편, 최근의 연구에서는 다양한 식사 패턴의 효과를 비교하는데 오믹스 기술을 적용하고 있다. 이 방법은 전통천연물의 기능성 평가에도 적용 가능할 것으로 기대되고 있으나 전통천연물과 오믹스 기술을 통합한 실례는 부족한 실정이다. 이에 본 연구는 다음의 두 가설을 검증하는 연구로써 수행되었다: 1) 중재 효과를 검증하는 실험모델로써, 항상성 도전 모델은 단순 비교 연구에 비해 생리학적 반응을 측정하는데 더 민감하다. 2) 개인이 중재연구에 반응하는 정도를 예측할 수 있는 예후 지표를 선별하는데 있어 일반적인 생화학적 지표와 대사체 데이터를 통합하여 검증할 수 있다. 본 연구에서는 운동 부하를 항상성 도전모델로 사용하였으며, 다양한 파이토케미컬를 함유하고 있고, 이들에 대한 효용이 많이 보고된 복분자를 검증 식품으로 사용하였다. 연구디자인은 4주간의 무작위배정, 이중맹검, 대조식품 비교, 평행연구로서, 활동량이 적은 과체중이나 비만한 자원자 (23≤ body mass index (kg/m2) <30, n=45)를 무작위배정을 통하여 복분자군 (21명; 남성 10명, 여성 11명) 또는 대조식품군 (24명; 남성 13명, 여성 11명)으로 나누었다. 항상성의 섭동 (perturbation)은 단회의 트레드밀 운동 (최대산소섭취량의 60%, 30분)으로 유도하였다. 기저시점과 섭취종료시점에 시험식품을 섭취한 후, 트레드밀 운동을 수행하였으며, 스트레스 부하 전후 모두 혈액과 소변 샘플을 채취하였다. 산화스트레스와 염증과 관계된 생화학 지표와 더불어, RNA sequencing와 1H NMR를 이용하여 말초혈액의 전사체와 혈장과 소변에서의 대사체 분석을 진행되었다. 분석 결과, 장기섭취에 따라 적혈구 글루타치온계 항산화물질 (GSSG, GSH:GSSG), 혈장 지질과산화물 (MDA, oxLDL)과 IL-6가 유의적으로 향상되었으며, 1H NMR을 이용한 대사체 분석에서는 에너지 생성 대사의 증가, 퓨린 대사와 글리세로포스포리피드 glycerophospholipid 대사의 억제, 기타 아미노산들의 증가를 통해 복분자의 항산화효과와 연관성이 관찰된다고 생각된다. 또한 항산화 또는 항염증 물질로서 복분자의 역할은 일반적인 평가 모델 보다 항상성 섭동 모델에서 글루타치온 복구 (GSH restoration)와 IL-6의 감소와 관계된 유전자 (RANBP10, PNP, OSM, COL4A2, KRT1, CCND1, DOCK7)를 통해 더 확실히 알 수 있었다. 기능성 소재의 장기 섭취에 따라 산화스트레스에 반응하는 정도가 어떻게 다르게 나타나는지에 대한 예후인자로서 대사체의 가능성을 분석한 결과, 기저시점의 뇨중 글라이신, 페닐아세틸글리신과 트리메틸아민의 농도가 GSH:GSSG 비율의 변화를 예측하는 지표로서 사용 가능함을 보여주고 있다. 본 연구에서 도출된 내용은 산화나 염증 스트레스에 반응하는 복분자의 작용기전에 대한 새로운 통찰력을 제공할 수 있다. 따라서, 본 연구는 산화 또는 염증스트레스 부하에 반응하는 개인의 능력을 평가하는 여러 바이오마커로 구성된 패널을 제안할 수 있는데 도움을 줄 수 있다. 종합하면, 본 연구에서 검증한 시험모델과 전반적인 결과는 전통적 사용근거를 가진 상용식품 (culinary plants)을 활용한 기능성 소재 연구분야에서 인체의 대사적 유연성을 해석하거나, 이들 전통천연물의 기능성을 평가하기에 적절한 인체시험모델을 개발하는데 적용할 수 있을 것으로 판단된다.;Health-related biomarkers should be used to estimate subtle change but yet relevant effects in a person’s healthy status. In the period preceding the onset of disease, these markers can be used to foresee our capacity to overcome overarching processes, such as oxidative or inflammatory stresses. However, in most nutritional intervention studies, these markers have been employed in the resting state, and due to the robustness of homeostasis and inter-individual variability, the efficacy of nutritional interventions can be misled. In addition, omics technologies have been hypothesized to assist with identifying the patterns of multiple biomarkers, thus improving prognostic accuracy. Thus, new concepts have been developed to overcome these obstacles by integrating homeostatic challenge tests and omics technologies. The present study was conducted with the aims to obtain the following two objectives when applying omics techniques in the exercise-induced perturbation: 1) evaluation and verification of anti-oxidative stress and anti-inflammatory properties of Rubus coreanus Miquel (RCM) over longer periods and 2) selection of the endogenous metabolites at baseline as prognostic markers predicting individuals’ responses to intervention. In the present study, an exercise challenge was used as the model for the perturbation of homeostasis. The fruit of RCM was used as a model compound, since beneficial effects have been reported for its various bioactive phytochemicals. In a four-week, randomized, double blind, placebo-controlled, parallel-group study, sedentary overweight participants (23≤ body mass index (kg/m2) <30, n=45) were randomized to receive either RCM or placebo for four weeks. The perturbation of homeostasis was obtained following a single bout of treadmill exercise (30 min at 60% of their maximal aerobic capacity). In addition to biochemical markers related to oxidative stress and inflammation, peripheral blood transcriptome and metabolome profiling in the blood and urine were measured using RNA sequencing and 1H nuclear magnetic resonance. At the baseline and the end of the trial, blood and urine samples were taken during resting and post-exercise states. Chronic administration of RCM resulted in a marked improvement on erythrocyte glutathione (GSH) metabolism, lipid peroxidation, and IL-6. It was found that RCM led to changes in metabolite concentrations related to energy production, purine and glycerophospholipid metabolism, and amino acid catabolism. The role of RCM as an anti-oxidant and anti-inflammatory agent could be seen throughout GSH restoration, a reduction in IL-6, and those related gene expression levels (RANBP10, PNP, OSM, COL4A2, KRT1, CCND1, DOCK7) in the challenge model than in the non-challenge model. It was the possibility to prognose individuals’ responses following a longer intervention period. Urinary glycine, N-phenylacetylglycine, and trimethylamine may be the possible metabolic markers to prognose individuals’ response of the ratio of GSH:oxidized GSH in erythrocyte to intervention against oxidative stress. It is expected that these findings would be provide new insights into the mechanisms of actions after RCM supplementation, and helped propose specific marker panels for monitoring individual anti-oxidant and anti-inflammatory capacities. Furthermore, the model used in the present study and the overall findings could be implemented to determine the appropriate design of human intervention studies and interpret metabolic flexibility results in nutritional intervention research.