A novel epigenetic mechanism in adipogenesis via TET protein mediated Pparγ regulation

Abstract

지방세포는 주된 에너지 저장소 및 대사 호르몬 분비를 관장하는 내분비 기관으로 에너지 및 대사 항상성에 관여하여 비만 및 당뇨와 같은 대사성 만성 질환의 발병과 깊은 상관성을 보이는 세포이다. 본 연구에서 사용된 3T3-L1 세포주는 인슐린과 글루코코르티코이드 자극 물질이 포함된 유도 배양액에 노출되었을 때 지방전세포로부터 지방세포로 분화되는 특성을 지니고 있다. 이 과정에서 PPARγ (Peroxisome proliferator-activated receptor gamma) 및 C/EBPs (CCAAT-enhancer-binding proteins) 전사조절인자가 결정적인 조절자의 역할을 한다고 알려져 있지만 이러한 전사조절인자들과 후생유전학적 기전과의 관련성에 대한 연구는 미미한 실정이다. 후생유전학적 기전이란 DNA 염기 서열의 변화 없이 DNA 메틸화 및 히스톤 변형에 의하여 유전자 발현이 조절되는 것을 의미한다. 따라서 본 연구에서는 DNA 메틸화를 DNA 하이드록시 메틸화로 전환하는 효소로서 DNA 탈메틸화 과정에 중요한 역할을 한다고 알려져 있는 TET1 (Ten-eleven translocation methylcytosine dioxygenase 1) 및 TET2 (Ten-eleven translocation methylcytosine dioxygenase 2)의 발현 변화가 지방세포분화에 미치는 영향을 탐색하였다. 또한 TET 단백질은 대사산물인 알파-케토글루타레이트 및 철 의존성 효소로서 영양대사물질에 민감하게 반응할 가능성을 지니고 있다는 점에 착안하여 TET 단백질의 활성을 조절할 수 있는 대사물질을 탐색하였다. Tet1 및 Tet2의 mRNA 발현은 지방세포분화 유도와 함께 증가되는 패턴을 보였으며 이는 지방세포분화의 결정적 조절인자인 Pparγ의 탈메틸화에 기여하였다. 짧은 간섭 RNA를 이용한 Tet1 및 Tet2 유전자 발현 억제는 Pparγ 전사 조절 구역의 DNA 탈메틸화를 방해하여 Pparγ 유전자 발현을 감소시키고 결과적으로 지방세포분화를 억제하는 결과를 보였다. 푸마르산은 시트르산 회로의 중간 대사산물로서 TET 단백질의 보조 기질인 알파-케토글루타레이트와 구조적 유사성으로 인해 길항물질로서 작용할 수 있다. 실제로, 지방세포분화과정에서 100 uM의 푸마르산을 처리하였을 때, 지방세포분화가 억제되었으며 이는 TET 단백질의 활성이 억제됨으로써 Pparγ 전사 조절 구역의 탈메틸화가 감소된 것으로 관찰되었다. 이는 TET 단백질이 직접적으로 Pparγ의 DNA 탈메틸화에 관여하여 전사조절인자로서 역할을 한다는 새로운 지방세포분화의 후생유전학적 기전을 제시하고 있을 뿐만 아니라 시트르산 회로 대사산물 중 하나인 푸마르산이 TET 단백질의 활성을 조절함으로써 지방세포분화 억제 효과를 지니고 있음을 처음으로 제시했다는 점에서 의미가 깊다;The adipose tissue mainly composed of adipocytes is involved in crucial energy and metabolic homeostasis. Adipogenesis refers to the cellular differentiation of preadipocyte to adipocyte in the presence of adipogenic stimuli. The coordination of peroxisome proliferator-activated receptor gamma (PPARγ) and CCAAT/enhancer-binding proteins (C/EBP) transcription factors has been identified as a master regulating for adipogenesis, but it is still unknown whether epigenetic mechanism involves the adipogenesis. This study is aimed to identify a novel epigenetic mechanism of adipogenesis via Ten-eleven translocation methylcytosine dioxygenases (TETs)-mediated DNA demethylation and citric acids cycle (CAC) metabolites. We found that DNA methylation at Pparγ was gradually decreased while mRNA expression of Tet1 and Tet2 were increased in mouse 3T3-L1 cells upon adipogenic induction. Suppression of Tet1 or Tet2 using small interfering RNA blocked the adipogenesis by down-regulating Pparγ gene expression. Furthermore, the repressed Pparγ expression by Tet2 knockdown were due to loss of 5-hmC at the regulatory element of Pparγ, suggesting that TETs epigenetically regulated transcription of Pparγ. Intriguingly, the treatment of 100 uM fumarate, which is one of intermediate metabolites in CAC, delayed the adipogenesis by inhibiting the activity of TET enzymes and subsequently leading to persistence of 5-mC level at Pparγ region. Collectively, the results demonstrated that TETs induced adipogenesis via epigenetic activation of Pparγ and this process could be controlled by fumarate treatment. Our study reveals a critical roles of TETs and CAC metabolites in adipogenesis but further in vivo study on their function in adipogenic-related metabolic processes is warranted