Diet-induced metabolic disease through multigenerations via epigenetic mechanism

Abstract

Metabolic disease has become one of the major issues for public health as its prevalence is steadily increasing. Sound evidence has suggested that acquired traits in parents and/or grandparents are independent risk factors of metabolic disease in next generations. To date, epigenetic mechanism has been implicated as a putative mediator of non-genetic inheritance. However, which epigenetic information induced by parental environments is inherited through germ line remains unclear. To investigate a putative underlying epigenetic mechanism via germ line transmission, we used a paternally-induced metabolic stress mouse model with two consecutive generations. This dissertation focuses on (1) physiological and molecular characteristics of dietary-induced obesity in male founder to avoid co-founding effects of in utero variability, (2) metabolic phenotypes and their underlying molecular mechanisms in offspring of obese founder, and (3) putative epigenetic mechanisms by which effects of founder obesity are transmitted to consecutive generations. Firstly, direct effects of consumption of HFD on development of metabolic diseases were investigated in male founders. HFD feeding led to obesity and glucose intolerance phenotypes as expected and upregulated transcripts related with ER stress response and leptin resistance in hypothalamus. Secondly, transgenerational effects of the dietary stress in founders on the onset of metabolic disease were investigated. In the consecutive generations, effects of founder obesity were more obvious in F2 offspring than F1 offspring. Also, metabolic phenotypes were expressed in a gender-specific manner; female offspring from obese founder consistently exhibited underweights with earlier onset of glucose dysregulation than male offspring. Among male offspring, F2 male born to F1 female of obese founder exhibited later onset of hyperglycemia with overweight. The disparity between underweight in female offspring and overweight in male offspring can be supported by differently induced transcription changes in the liver, adipose and hypothalamus. Founder obesity induced hepatic gluconeogenesis with elevated lipids in F2 female and adipose insulin resistance and hypothalamic ER stress and leptin resistance in F2 male. Finally, we investigated gamete epigenetic modifications which might contribute to transmission of information induced in founders to progeny. In mRNA level, HFD upregulated global methylation of testis with elevated transcription levels of RNA methylases including the methyltransferase like 3 (Mettl3) and the methyltransferase like 14 (Mettl14). In DNA methylation levels, several genomic loci including differentially methylated regions of the insulin-like growth factor 2 (Igf2) and H19 and the promoter of the nuclear receptor subfamily 1, group H, member 3 (Nr1h3) encoding the liver X receptor a (LXRa) in founder gametes respond to HFD. Furthermore, the genomic loci which were altered in obese founder’s germ cells were also targets in the hepatic DNA of F2 offspring. Taken together, this study demonstrates that dietary induced obesity impacts on metabolic alterations not only in the individual itself but also in further generations and the epigenetic changes in germ cells may be candidates of molecular targets leading to transgenerational inheritance of metabolic stress via germ-line transmission.;비만과 당뇨를 비롯한 대사 질환의 유병인구는 1980년대 이후 전세계적으로 꾸준히 증가하고 있는 실정이다. 지금까지 이루어진 연구에서는 후천적인 생활습관이나 대사 관련 유전자의 돌연변이가 대사 질환의 주 요인인 것으로 밝혀졌으나, 최근 역학연구를 통해 부모가 겪은 후천적인 요인이 만성 질환 발병의 독립적인 요소가 될 수 있음이 제기되고 있다. 현재까지 모계의 영양상태가 자손의 대사에 어떠한 영향을 미치는 지에 대해서는 많은 연구가 진행된 데 반하여 부계의 영양상태가 미치는 영향에 대해서는 연구가 미비한 실정이다. 따라서 본 학위논문에서는 부계로부터 유도된 비만이 연속된 두 세대의 대사 조절에 어떠한 영향을 미치는 지를 관찰하고 이와 관련된 후성유전적 기전을 탐색함으로써 생식선 전이 (germ-line transmission)를 통한 대사 질환의 세대 전달 현상을 규명하고자 하였다. 첫째로 식이로 유도되는 대사 질환의 일반적 특성을 규명하기 위하여 고지방 사료를 섭취한 1세대 수컷 생쥐의 표현형과 대사관련 조직의 분자적 기전을 탐색하였다. 유전자 발현 분석 결과 1세대 비만 생쥐는 지방 조직에서의 지방분해 및 산화, 포도당 흡수가 감소하였으며, 시상하부의 소포체 스트레스 및 leptin 저항성이 증가함을 보였다. 둘째로 비만 수컷 생쥐의 자손들에게서 나타나는 표현형을 관찰하고 분자적 기전을 탐색하여, 1세대에서 나타난 식이 섭취에 기인하는 대사 질환과의 차이점을 분석하였다. 표현형 관찰 결과 비만 수컷의 3세대 후손에서 성별 특이적인 대사 표현형이 나타났는데, 수컷 후손에서는 과체중과 공복혈당 증가가 나타난데 반해 암컷 후손에서는 저체중과 당분내성 표현형, 간 지질 증가가 발생하였다. 표현형의 성별 차이를 규명하기 위하여 대사관련 조직의 유전자 발현분석을 진행한 결과 수컷 후손에서는 간에서의 해당과정의 증가와 지방조직의 포도당 흡수의 감소가 발생하였고 시상하부의 leptin 저항성과 소포체 스트레스가 증가하였다. 수컷 후손의 시상하부 유전자 발현패턴은 고지방 사료에 직접적으로 노출된 1세대 비만 생쥐의 결과와 유사하다. 반면, 암컷 후손에서는 지방조직의 분해가 증가함과 동시에 간에서의 포도당신생과정, 지방 생합성, 만성적인 소포체 스트레스가 발생하였다. 마지막으로 부계 비만의 영향이 다음 세대로 전달되는 생식선 전이 기전을 규명하기 위하여 1세대 수컷 생쥐의 생식세포에서 후성유전적 분석을 진행하였다. 비만 생쥐의 고환에서는 아데노신 메틸화 효소인 Methyltransferase like 3 (Mettl3), Methyltransferase like 14 (Mettl14)와 탈메틸화 효소인 Fat mass and obesity-associated protein (Fto)의 발현이 유의적으로 증가하였으며, 이 효소들의 기질인 아데노신의 메틸화 (N6-Methyladenosine) 정도가 mRNA 전반적인 수준에서 증가함을 관찰하였다. 또한 비만 생쥐의 고환과 정자 DNA 메틸화 분석을 진행한 결과 유전체 각인 유전자인 Insulin like growth factor 2 (Igf2)/H19 위치와 지방 생합성 전사인자인 Nuclear receptor subfamily 1, group H, member 3 (Nr1h3)의 프로모터의 일부 CpG에서 메틸화 변화가 발생하였다. 더 나아가 3세대 후손의 간 조직에서도 Igf2와 Nr1h3 프로모터에서 DNA 메틸화 변화를 관찰하였다. 결론적으로 본 연구에서는 식이로 유도된 비만은 개체 자체뿐만 아니라 이후 세대에서도 대사 질환을 유발할 수 있으며, 생식세포에서 발견한 후성유전적 변화는 대사 스트레스의 세대간 전달현상을 매개하는 분자적 기전의 후보가 될 것으로 사료된다. 이러한 연구 결과를 토대로 하여 만성질환 발병의 예측 도구와 표적 치료 개발의 추후 연구가 기대되는 바이다.