Effects of alternative sweeteners on metabolic disorder via regulating lipid metabolism genes in vivo

Abstract

D-Xylose, a natural pentose,has been reported to reduce postprandial glucose levels, although its effect on lipid metabolism has not been investigated. Therefore, this study hypothesized that D-xylose,as an alternative sweetener, suppresses adipogenesis and lipid metabolism by regulating blood lipid profiles, blood glucose levels, and related gene expression in high-fat diet (HFD)-induced obese mice. Mice were fed a normal diet, a 60% HFD diet, or a HFD with 5% or 10% of the total sucrose content supplemented with D-xylose (Xylo 5 and Xylo 10 diets, respectively). Weight gain, food intake, and serum lipid levels for each group were measured. After 12 weeks, histopathology of liver sections and assays of gene expression related to adipogenesis and lipid metabolism in visceral fat and liver tissues were analyzed. Fasting blood glucose levels, weights of subcutaneous and visceral adipose tissues, and serum biochemical markers, including total cholesterol (TC) and low-density lipoprotein-cholesterol (LDL-C), LDL/high-density lipoprotein (HDL), and TC/HDL, were significantly lowered in the Xylo 5 and Xylo 10 groups. In addition, D-xylose supplementation resulted in the down-regulation of adipogenesis-related genes, including SREBP-1C, FAS,aP2, and C/EBPα in visceral adipose tissues. Histopathologically, Xylo 5 and Xylo 10 supplementation reduced HFD-induced fat accumulation in the liver and decreased expression of FAS and PPARγ. D-Xylose supplementation also enhanced lipid oxidation by increasing expressionof CPT-1A, CYP4A10, and ACO. In conclusion, our finding suggests that D-xylose may help prevent or attenuate the progression of obesity-related metabolic disorders by alleviating adipogenesis and dyslipidemia, and improving lipid oxidation.;Diabetes mellitus (DM) is a metabolic disorder in glucose and fat metabolism and has become a major public concern in worldwide. Xylobiose consists of two molecules of xylose and is a major disaccharide in xylo-oligosaccharide (XOS). Although it has been reported the anti-diabetic effects of xylo-oligosaccharide, the physiological effect of xylobiose on blood glucose and lipogenesis has not been evaluated. The aim of this study was to investigate the hypoglycemic and hypolipogenic effect of xylobiose in type 2 diabetic mice model. Five-week old male C57BL/KsJ-db/db mice were randomized into 3 groups as follows: (1) a control group of C57BL/6 mice that received AIN93G (Ctrl), (2) a diabetic control group of C57BL/KsJ-db/db mice that received AIN93G (DB), and (3) a group that supplemented with 5% xylobiose as part of the total sucrose content of the diet (XB5). Mice were fed the experimental diets for 6 weeks. Supplementation of xylobiose reduced food and water intake and improved glucose tolerance by reducing the levels of oral glucose tolerance test area under the curve (OGTT AUC), fasting blood glucose, hemoglobin A1c (HbA1c), insulin, and HOMA-IR (homeostatic model assessment-estimated insulin resistance). These results represent xylobiose attenuates hyperglycemia by regulating insulin and blood glucose metabolism. In addition, xylobiose supplementation significantly decreased the levels of triglyceride (TG), total cholesterol (TC), and low density lipoprotein-cholesterol (LDL-C). Expressions of lipogenic genes, including, fatty acid synthase (FAS), peroxisome proliferator-activated receptor γ (PPARγ), sterol-regulatory element-binding protein-1 (SREBP-1C), SREBP-2, acety coenzyme A carboxylase (ACC), and 3-hydroxy-3-methylglutaryl-coenzyme A reductas (HMGCR)in liver tissues were significantly lower in XB 5 group compared to DB group. Furthermore, xylobiose supplementation suppressed the mRNA expressions of pro-inflammatory cytokines, tumor necrosis factor-α (TNF-α), interleukin-1β (IL-1β), IL-6, and monocyte chemoattractant protein-1 (MCP-1) and phosphorylation of three mitogen-activated protein kinases (MAPKs), such as stress activated protein kinases/c-Jun N-terminal kinase (SAPK/JNK), p38 MAPK, and extracelluar-signal-regulated kinases (ERK) 1/2. Taken together, xylobiose exhibits considerable anti-diabetic, hypolipogenic, and anti-inflammatory alternation in db/db mice.;비만은 수십 년 동안 국제적으로 문제가 되고 있는 대사증후군의 위험 요소 중 하나이다. 비만은 인슐린 저항성을 높여 당뇨병의 발병 위험성을 높이고, 이상지질혈증을 일으켜 동맥경화의 원인이 되기도 한다. 당뇨병은 혈당 상승 및 인슐린 저항성을 수반하는 대사증후군이다. 췌장의 베타세포 파괴 또는 기능 이상 및 인슐린 저항성에 의해 비정상적인 인슐린 분비 및 대사가 원인이 되어 나타난다. 당뇨병은 혈당 및 인슐린 대사뿐만 아니라 간, 심장, 눈, 혈관 및 신장 등의 다양한 장기에 합병증을 일으킨다. Chapter 1에서 사용된 설탕 대체 감미료인 자일로스는 오탄당 구조로 되어 있으며, 장에서의 흡수율이 설탕의 약 70%정도이다. 또한 장에서 수크라아제의 활성을 낮추어 설탕의 흡수를 낮춘다고 보고되어 있으며 혈당 및 인슐린 농도를 개선시키고, 내당능을 낮춘다고 알려져 있다. 하지만 자일로스의 낮은 체내 흡수율과 더불어 설탕의 흡수를 억제한다는 연구가 되어있음에도 불구하고, 자일로스의 항비만 기능성에 대해서는 아직까지 연구가 되어있지 않았다. Chapter 2에서 사용된 설탕 대체재로 사용된 감미료인 자일로바이오스는 자일로스 두 분자가 합쳐진 이당류이며, 자일로올리고당을 주요하게 구성하는 이당류이다. 현재까지 몇몇 연구에 의하여 자일로스와 자일로올리고당에 대해서 항당뇨 및 항비만에 대한 효과가 규명되었음에도 불구하고, 자일로바이오스가 당 및 지질대사에 미치는 영향에 대해서는 아직까지 연구가 되어있지 않다. 따라서 chapter 1의 연구에서는 자일로스가 혈중지질농도, 지방조직 생성 및 지방간에 미치는 영향에 대하여 고지방식이가 유도된 동물 모델을 사용하여 입증하였다. 비만을 유도하기 위하여 고지방식이 그리고 고지방식이의 설탕의 일부를 자일로스로 대체하여 마우스에게 먹임으로서, 자일로스의 항비만 효과를 관찰하였다. 그 결과, 마우스 무게와 피하 및 내장지방의 무게 그리고 식이효율이 자일로스를 먹인 군에서 고지방식이군에 비하여 감소함을 확인하였다. 또한 자일로스군에서는 고지방식이군에 비하여 혈당이 낮아졌으며, 혈중 지질농도가 개선되어 동맥경화의 위험성이 낮아진 것을 관찰할 수 있으며, 간 조직의 조직병리학적 관찰을 통하여 고지방식이군에 비하여 자일로스 군에서의 지방구 감소 및 지방간의 중증도가 낮아진 것을 확인하였다. 내장 지방 및 간 조직에서는 유전자 및 단백질 발현을 통해 자일로스의 효과를 확인하고자 하였다. 자일로스군에서는 내장 지방 및 간 조직에서 C/EBPα (CCAAT/enhancer-binding protein α), SREBP-1C (sterol regulatory element-binding protein-1C), FAS (fatty acid synthase), aP2 (adipocyte protein 2)의 지방생성 마커의 발현의 낮아짐을 관찰하였다. 또한 CPT-1A (carnitine palmitoyltransferase-1A), CYP4A10 (cytochrome P450, family 4, subfamily a, polypeptide), ACO (acyl coenzyme A oxidase) 등 지방 산화 마커의 발현이 자일로스군에서 높아짐을 관찰하였다. 또한 chapter 2의 연구에서는 자일로바이오스가 제 2형 당뇨 마우스 모델에서 당 및 지질 대사에 미치는 영향에 대하여 입증하였다. 자일로바이오스군에는 식이 중 설탕의 5%를 자일로바이오스로 대체하여 공급함으로서 당 및 지질대사에 미치는 영향을 관찰하였다. 그 결과, 당뇨 마우스의 식이 및 물 섭취량이 당뇨 대조군에 비하여 자일로바이오스군에서 유의적으로 감소함이 관찰되었다. 또한 자일로바이오스에 의한 혈당, 내당능, 당화혈색소 그리고 혈중 인슐린의 수치가 낮아짐이 확인되었으며, 인슐린 저항성의 지표인 HOMA-IR (Homeostatic model assessment-estimated insulin resistance) 지수가 감소하였다. 혈장을 통한 지질농도를 분석하였을 때에는, 중성지방, 총 콜레스테롤 그리고 저밀도 지단백의 수치가 자일로바이오스군에서 현저하게 낮아짐을 확인하였다. 지방대사의 주요한 장기 중 하나인 간 조직에서는 자일로바이오스에 의해 FAS (fatty acid synthase), PPARγperoxisome proliferator-activated receptor γ), SREBP-1C (sterol regulatory element-binding protein-1C), SREBP-2 (sterol regulatory element-binding protein-2), ACC (acetyl coenzyme A carboxylase) 그리고 HMGCR (3-hydroxy-3-methylglutaryl-coenzyme A reductase) 등의 지방생성 마커의 발현이 감소하였다. 자일로바이오스에 의한 염증성 매개 인자인 TNF-α(tumor necrosis factor-α), IL-1β(interleukin-1β), IL-6(ineterleukin-6) 그리고 MCP-1 (mononcyte chemoattractant protein-1)의 발현이 억제 되었으며, MAPKs (mitogen-activated protein kinases)의 주요한 단백질인 extracellular-signal-regulated kinase 1/2 (ERK 1/2), stress activated protein kinase/c-Jun N-terminal kinase (SAPK/JNK), p38 MAPK(p38 mitogen-activated protein kinase)의 인산화가 유의적으로 감소함을 밝혀냈다. Chapter 1의 연구를 통하여 자일로스가 지방생성 및 지방산화 대사를 조절함으로써 비만뿐만 아니라 다양한 비만 관련 대사증후군을 개선시킬 수 있는 가능성을 동물 모델을 이용한 연구로 최초로 확인하였다. 또한 chapter 2의 연구를 통하여 자일로바이오스가 당 대사뿐만 아니라 지질대사 및 염증을 개선시킬 수 있는 가능성을 최초로 밝혀내었다. 종합적으로, 자일로스와 자일로바이오스는 항비만 및 항당뇨 기능성을 갖춘 유용한 설탕의 대체 감미료로 활용될 수 있을 것으로 보인다.