Xylobiose supplementation suppresses adipogenesis and ameliorates obesity related metabolic dysregulations in high-fat diet-induced obese C57BL/6 mice

Abstract

Xylobiose is a major component of xylo-oligosaccharide. To investigate the possible utilization of xylobiose as an alternative sweetener that can alleviate the obesity, mice were randomly divided into following groups and given different diets for 10 weeks. AIN-93G, 60% high fat diet (HFD) and HFD supplemented with 10% or 15% xylobiose as part of the total sucrose content were given. The anti-obesity effects of xylobiose were compared with commercially available D-xylose. Body weight, subcutaneous, mesenteric, perirenal fat weight, and liver weight were significantly reduced by xylobiose supplementation. Xylobiose supplementation suppressed levels of fasting blood glucose, blood triglyceride (TG), total cholesterol (TC), low-density lipoprotein cholesterol (LDL-C) and very low-density lipoprotein cholesterol (VDLD-C). Furthermore, xylobiose supplementation improved adipokine alterations, decreased leptin levels and increased adiponectin levels. In mesenteric adipose tissue, xylobiose downregulated expressions of adipogenic genes, including peroxisome proliferator-activated receptor gamma (PPARγ), and CCAAT/enhancer binding protein alpha (C/EBPα). Likewise, xylobiose supplementation downregulated lipogenesis genes in mesenteric adipose tissue, such as sterol regulatory element-binding protein 1-c (SREBP-1c), fatty acid synthase (FAS) and acetyl-CoA carboxylase (ACC), which were induced by HFD. In addition, β-oxidation associated genes, such as acetyl-CoA oxidase (ACO), carnitine palmitoyltransferase I A (CPT1A) and uncoupling protein 2 (UCP2) expressions were lowered by xylobiose supplementation. Inflammation associated genes, including monocyte chemoattractant protein-1 (MCP-1), interleukin 1 beta (IL-1β), and tumor necrosis factor alpha (TNFα,) expressions were also downregulated, as well as fatty acid uptake genes, lipoprotein lipase (LPL) and cluster of differentiation 36 (CD36), and lipolysis gene, hormone-sensitive lipase (HSL) were downregulated by xylobiose supplementation. Furthermore, xylobiose supplementation reduced liver weight and TG contents. Histological observation showed reduced liver lipid droplets by xylobiose supplementation. Adipogenesis and lipogenesis were downregulated in the liver, confirmed by lower gene expressions of PPARγ, C/EBPα and SREBP-1c. D-xylose showed reduced levels of fasting blood glucose, TG, TC, LDL-C, VLDL-C, and atherogenic index, and increased levels of plasma adiponectin. Adipogenesis and inflammation associated gene expressions were downregulated in mesenteric adipose tissue and the liver by D-xylose supplementation. Parts of lipogenesis, β-oxidation, and fatty acid uptake associated gene expressions were decreased by D-xylose supplementation. D-xylose supplementation reduced liver weight, but not the liver TG contents. In conclusion, Xylobiose supplementation alleviated obesity related alterations of mesenteric fat, and reduced lipids in blood and liver. Xylobiose was more effective than D-xylose in regulating obesity induced body weight and fat weight gains, as well as gene expression changes associated with obesity. Xylobiose may help to prevent the progress of fat deposition and obesity-related metabolic dysregulations.;자일로바이오스는 두 개의 자일로스가 β(1→4) 결합으로 연결되어 있는 형태로, 자일로올리고당을 가장 큰 비율로 구성하는 물질이다. 이번 연구에서는 비만 유도에 유리한 C57BL/6 마우스를 통하여 자일로바이오스의 항비만 효과를 보고자 하였다. 실험 동물들은 총 5그룹으로 나뉘었으며 일반 식이를 먹인 그룹, 60%의 지방이 함유된 고지방 식이를 먹인 그룹, 고지방 식이의 전체 설탕 함유량에서 10% 혹은 15%를 자일로스나 자일로바이오스로 대체한 식이를 먹은 그룹들로 나뉘었다. 항비만 효과가 입증되었고 상업적으로 활발하게 사용되고 있는 자일로스와의 효과를 비교하기 위해 자일로스 그룹을 추가하였다. 마지막 체중, 공복 혈당, 간과 여러 종류의 지방들 무게를 측정한 결과, 자일로바이오스 섭취로 인해서 비만 쥐들의 체중이 유의적으로 감소하였고 간 무게, 피하, 장간막, 신장주변의 지방 무게가 줄어들었다. 또한 자일로바이오스 보충으로 인해 공복 혈당과, 혈중 중성지방, 콜레스테롤, 고밀도지단백질, 저밀도지단백질, 초저밀도지질단백질과 동맥경화지수를 측정한 결과 모든 혈중 마커들이 유의적으로 개선되었다. 몸무게, 지방들의 무게, 혈중 지질 레벨들은 자일로스보다 자일로바이오스에서 더 유의적으로 떨어지는 것을 확인 할 수 있었다. 간의 중성지방량과 H&E 염색 (hematoxylin and eosin)을 통해 간의 조직학적 분석을 한 결과 자일로바이오스로 인해 간의 중성지방량이 줄어들었고 조직에서 감소한 지방의 수와 크기를 확인 할 수 있었다. 반면에 자일로스는 고지방식이 그룹과 중성지방량 차이를 보이지 않았고 조직학적 분석에서는 감소하는 추세를 보였지만 자일로바이오스군들 보다는 증가하였다. 비만관련인자들의 mRNA 발현 정도는 quantitative real-time PCR을 통해 확인하였다. 고지방식이를 먹은 그룹은 장간막 지방 조직에서 지방생성, 염증, 지방분해 관련 유전자 발현 값들이 일반식이를 먹은 그룹보다 유의적으로 높았으며, 자일로바이오스를 먹은 그룹들의 값은 그에 비해 대체적으로 낮아졌다. 지방생성과 염증에 관련된 유전자 발현 정도가 감소하는 것을 보아, 자일로바이오스가 비만으로 인한 대사작용에 영향을 미쳤음을 확인 할 수 있었다. 또한 자일로바이오스는 비만으로 인한 간에서의 지방생성 유전자 발현을 낮추었으며 자일로바이오스로 인해 간에서의 중성지방과 간 무게가 줄어들었다. 자일로스 또한 간과 지방에서 지방생성 마커들이 유의적으로 줄어들었지만 간의 중성지방량이 줄어들지 않았다. 장간막 지방은 간문맥 사이에 위치하기 때문에 장간막 지방세포에서 방출된 지방산과 사이토카인들은 간문맥을 통해 간으로 이동하게 된다. 장간막 지방을 분석한 결과, 고지방 식이는 지방축적뿐만 아니라 지방분해 mRNA 발현을 높였고 염증관련인자들의 발현 또한 높아졌다. 자일로바이오스를 투여한 결과 이러한 대사 변화들이 억제되었음을 확인 할 수 있었다. 반면에, 자일로스는 지방분해 마커를 감소시키지 않았다. 결론적으로 자일로바이오스는 자일로스보다 더 큰 항 비만 효과가 있으며 단순히 체중과 지방 축적을 감소시킬 뿐만 아니라 비만으로 인해 변형된 대사작용들의 효율성을 높여 관련 질병들을 예방할 수 있는 잠재력이 있는 것으로 사료된다.