운동과 탄수화물 식이가 초파리 인슐린 신호체계 활성화와 수명에 미치는 영향에 있어서 DUOX 유전자의 역할

Abstract

Although oxidative stress is known to be linked to numerous pathologies such as cancer and diabetes, exercise-induced oxidant through NADPH oxidases plays important regulatory roles in the modulation of control of signaling pathways and regulation of gene expression. However, it is not known whether Drosophila DUOX (dDUOX) gene is regulated by acute exercise and it has modulating effect on insulin signaling. Insulin/IGF signaling plays a central role in functions as diverse as metabolic homeostasis. In Drosophila insulin/IGF consists of several insulin-like peptides called DILPs, activating a unique membrane receptor and its downstream signaling cascade. Here, we demonstrate that dDUOX is induced by a single bout of exercise in the whole body of Drosophila. Furthermore, exercise-induced dDUOX is necessary for exercise-induced CHICO and DILP2,3,5 gene expression. Drosophila forkhead-related transcription factor (dFOXO), a key component of the insulin signaling cascade, is translocated into cytoplasm in fat body after a single bout of exercise. However, exercise-induced dFOXO translocation to cytoplasm is abolished in dDUOX RNAi flies, suggesting that dDUOX is required for cytoplasmic translocation of dFOXO after exercise. In conclusion, dDUOX gene is required for induction of insulin signaling after a single bout of exercise in Drosophila. We have used feeding conditions (high sugar diet) and exercise that induce an important change in lifespan and TG level. Our data provide insight into DUOX as a novel molecular link between exercise-induced reactive oxygen species and mechanisms involved in their modulation of insulin signaling pathway;본 연구는 초파리의 운동이 활성산소를 생성하는 NADPH 산화효소 중 하나인 DUOX 유전자의 발현 및 인슐린 신호체계 관련 유전자 발현에 미치는 영향을 알아보고, 운동에 의한 인슐린 신호체계 활성화에 있어 수명 증가, 고 탄수화물 섭취로 유도된 중성지방 수준을 낮추는데 있어 DUOX의 역할을 밝히는데 그 목적이 있다. 본 연구의 대상은 초파리 모델로써, 실험에 사용된 초파리는 유전자 변형이 일어나지 않은 w1118 초파리와, 초파리의 전신에서 DUOX 유전자의 발현을 억제 시킨 DA-GAL4>UAS-DUOX RNAi (DUOX RNAi) 유전자 변형 초파리, 그리고 DUOX 유전자의 발현을 회복시킨 DA-GAL4>UAS-DUOX RNAi ; DA-GAL4>UAS-DUOX(DUOX RNAi + DUOX) 초파리, 그리고 인슐린 하부 신호전달 체계인 PI3-Kinase 활성화에 관련된 tGPH 초파리를 사용하였다. 초파리 전신에서 운동에 의한 DUOX 및 인슐린 신호체계 관련 유전자인 CHICO, DILP2 mRNA 발현을 측정하였으며, FOXO의 핵으로의 이동, tGPH 단백질의 이동, 당 섭취 수준과 운동에 따른 수명의 변화, 중성지방 농도의 변화 정도를 측정하였다. 운동에 따른 전신, 그리고 뇌에서의 mRNA 발현 측정 결과 및 당 섭취 수준과 운동에 따른 중성지방 농도의 변화 정도에 대한 통제군과의 차이를 검증하기 위해 t-test를 실시하였으며, 당 섭취 수준과 운동에 따른 생존율의 차이를 검증하기 위해 Kaplan-Meier의 생존분석을 실시하였다. 본 연구의 결과는 다음과 같다. 첫째, 초파리의 운동이 전신에서 DUOX 유전자의 mRNA 발현을 유의하게 증가시켰다. 둘째, 초파리의 운동이 전신에서 인슐린 신호체계 관련 유전자인 CHICO, DILP2 유전자의 mRNA 발현을 유의하게 증가시켰다. 그러나, DUOX 유전자의 발현을 억제한 DUOX RNAi에서는 인슐린 수용체 기질인 CHICO mRNA 발현이 유의하게 증가하지 못하였다. 셋째, 초파리의 운동이 뇌에서 운동에 의해 인슐린 유사 펩타이드인 DILP 2, 3, 5 (drosophila insulin-like peptides, DILPs) mRNA 발현을 증가시켰으며, DUOX 유전자의 발현을 억제한 DUOX RNAi에서는 DILPs의 발현 증가가 억제되었다. 넷째, DUOX RNAi는 인슐린 신호체계의 비활성을 유도하여 FOXO 유전자의 핵으로의 이동을 차단하지 못하였다. 면역형광염색 실험 결과 운동이 FOXO 전사인자 단백질의 핵으로의 이동을 억제하였고, DUOX 유전자 발현을 억제하였을 때에는 이러한 운동에 의한 FOXO 전사인자의 핵 이동 차단이 억제되었다. 다섯째, 초파리의 운동은 만성적인 고 탄수화물 식이가 유도된 초파리의 수명이 단축되는 것을 억제하였다. 그러나 DUOX RNAi 초파리에서는 운동에 의한 수명 연장 현상이 나타나지 않았음을 알 수 있었다. 여섯째, 초파리의 운동은 고 탄수화물 식이로 증가된 초파리의 중성지방 농도를 유의하게 감소시켰다. 그러나 DUOX의 발현이 억제된 파리에서는 운동에 의한 중성지방 농도의 감소를 확인 할 수 없었다. 결론적으로 본 연구는 초파리의 운동이 DUOX 유전자의 발현을 증가시키며, 운동에 의한 인슐린 신호체계 활성화는 DUOX 유전자에 의존적으로 조절된다는 것을 밝혔다. 또한 운동에 의한 초파리의 탄수화물 대사에 있어 DUOX가 인슐린 신호체계를 통해 수명, 중성지방 농도 조절에 역할을 한다는 것을 증명하였다. 본 연구 결과를 바탕으로 인슐린 대사에 있어 운동에 의해 발생되는 활성산소의 생리적 역할을 규명할 수 있을 것이다.