Leucrose suppresses adipogenesis in vitro and obesity- related metabolic abnormalities in vivo

Abstract

Leucrose (5-O-α-D-glucopyranosyl-D-fructose), an isomer of sucrose, is natural sweetener which exists in honey and pollen. It can be hydrolyzed into glucose and fructose by α-glucosidases in the small intestine. Although it has characteristic of slow hydrolyzation in the digestive tract, the effects on regulation for blood glucose, insulin secretion, or obesity have not been studied yet. In this study, 3T3-L1 adipocyte and high-fat-diet-induced obese mice were used to investigate whether leucrose has beneficial effect on adipogenesis in vitro and lipid metabolism by regulating blood glucose in vivo along with its feature of slow hydrolyzation in the small intestine. First, 3T3-L1 preadipocyte was differentiated with isobutylmethylxanthine, dexamethasone, and insulin by treating the cells with no glucose, 25 mM glucose, leucrose (replaced sucrose content to leucrose at 50% (L50), 75% (L75), and 100% (L100) in the cell medium. Leucrose treatment inhibited intracellular triglyceride accumulation without affecting cell viability. Moreover, this effect was confirmed by adipogenic mRNA and protein expression such as peroxisome proliferator-activated receptor gamma (PPARγ), CCAAT/enhancer binding protein alpha (C/EBPα), sterol regulatory element-binding protein 1-c (SREBP-1C), and fatty acid synthase (FAS) and phosphoinositide 3-kinase (PI3K)/Akt and mTOR signaling pathway. Then, the effect of leucrose on glucose and lipid regulation in high-fat diet (HFD)-induced obese mice was investigated. After 12 weeks feeding, leucrose improved fasting blood glucose level. However, body weight, fat mass (perirenal fat, subcutaneous fat, and epididymal fat) were not significantly changed by leucrose supplementation, while liver to body weight ratio was significantly lowered in the L50 group compared with the HFD group. Leucrose significantly decreased hepatic lipid accumulation and triglyceride (TG) levels. Expression of lipid metabolism-related genes such as PPARγ and FAS were down-regulated in liver tissues whereas lipid beta-oxidation associated genes in the liver, acetyl-CoA oxidase (ACO) and carnitine palmitoyltransferase 1A (CPT1A) were up-regulated by leucrose supplementation. In conclusion, leucrose treatment suppressed differentiation of 3T3-L1 adipocyte and may improve the metabolic dysregulation by inhibiting blood glucose and hepatic lipid accumulation.;류크로스는 설탕의 이성질체로, 하나의 포도당과 과당이 α (1 →5) 결합으로 이루어진 이당류이다. 꿀 또는 꽃가루에 자연적으로 존재하는 류크로스는 설탕의 약 절반정도의 감미도를 나타낸다. 산 가수분해 되기 쉬운 설탕과 다르게 류크로스는 산 가수분해에 저항성이 있으며, 장내 α-glucosidase에 의해 포도당과 과당으로 분해되지만 그 비율이 설탕에 비해 낮고, 포도당의 발생 비율 또한 낮은 것이 특징이다. 하지만 루크로스의 낮은 분해비율과 낮은 포도당 생성에 대한 결과가 밝혀진 반면, 혈당 및 인슐린 농도의 개선과 항비만 기능에 대해서는 밝혀진 바가 없었다. 이번 연구에서는 비만세포로 알려진 3T3-L1 세포와 C57BL/6 마우스를 활용하여 류크로스의 항비만 효과를 보고자 하였다. Insulin으로 분화를 유도한 지방세ㅗ는 세포의 영양원인 포도당을 류크로스로 대체했을 때 세포 생존율과 분화 억제 및 지방 축적 억제 효과를 측정하였다. 류크로스는 세포 생존율에 영향을 미치지 않았지만, 분화된 3T3-L1 세포의 oil red O 염색을 통해 류크로스의 대체 비율이 높을수록 세포내 지방 축적 감소를 확인할 수 있었다. 이는 지방세포의 분화를 증가시키는 인자인 C/EBPα, PPARγ의 발현과 지방의 합성을 증가시키는 SREBP-1C, FAS의 발현 그리고 이 인자들의 상위 인자인 PI3K/Akt/mTOR 신호전달 경로 또한 류크로스의 대체 비율이 높을수록 감소하는 것을 확인하였다. In vitro 실험에서 확인한 류크로스의 지방세포 분화 억제효과는 고지방식이로 비만을 유도한 쥐에서 항비만 효과를 보고자 하였다. 루크로스의 효과와 비만의 유도를 위해서 총 네 개의 그룹으로 나누어, 일반 식이를 급여하는 대조군, 고지방식이를 급여하는 고지방식이군, 고지방식이 중 설탕함량의 25%, 50%의 류크로스로 대체하여 급여한 류크로스 군으로 나누어 12주 동안의 실험을 진행한 결과, 고지방식이군과 류크로스 그룹 간의 체중, 식이섭취, 식이효율 및 지방의 무게에서 변화가 관찰되지 않았지만, 공복혈당은 류크로스 그룹에서 용량반응 단계에 따라 감소하였으며, 체중 당 간의 무게 비율은 류크로스 50% 그룹에서 감소하였다. 간의 중성지방량과 조직학적 분석을 한 결과, 고지방식이군에 비해 류크로스 50% 대체 군에서 중성지방량의 감소 및 조직의 지방구의 수와 크기가 감소됨을 확인할 수 있었으며, 간조직에서 mRNA의 발현을 비교하여 류크로스의 효과를 확인하였다. 류크로스군에서 지방생성에 관여하는 PPARγ (perosisomal proliferation activator γ), SREBP-1C (sterol regulatory element-binding 1C) 유전자의 발현이 감소됨을 확인하였고, 지방 산화에 관여하는 CPT (carnitine palmitoyltransferase-1A)와 ACO (acyl coenzyme A oxidase)의 유전자 발현이 류크로스군에서 증가됨을 확인하였다. 고지방식이 중 설탕을 류크로스로 대체함에 따라 무게에는 변화가 없었지만, 혈당의 감소와 지방생성 인자의 유전자 발현 감소 및 지방산화 인자의 증가되는 유전자 발현을 통해 류크로스가 혈당의 조절과 함께 간에서의 지방생성 및 지방산화를 조절하여 비만으로 유도될 수 있는 대사증후군 관련 지방대사조절에 기여할 수 있는 기능이 있는 것으로 기대된다.