연구자들은 세포외 기질 단백질과 당의 축적이 인슐린이 배고픔을 조절하는 뉴런에 도달하는 것을 방해하여 대사를 방해하고 비만의 위험을 증가시키는 방법을 밝혀냈습니다.
최근 Nature에 발표된 연구에서 연구자들은 염증이 시상하부 아크 덩어리(ARC)의 특수한 세포외 기질(ECM)인 신경주위망(PNNs)에서 섬유성 재형성을 유도하여 대사 기능 장애를 초래하는 새로운 기전을 밝혀냈습니다.
배경
높은 혈당 수치는 췌장의 베타 세포가 더 많은 인슐린을 방출하도록 유도합니다. 이 호르몬은 생리적 과정을 조절하는 ARC로 순환합니다. 인슐린 민감성의 상실은 식이 섭취를 증가시켜 지방 축적과 비만을 초래합니다. ECM은 단백질과 당의 네트워크로, 인슐린이 배고픔을 조절하는 ARC 뉴런에 도달하는 것을 방해하여 비만에 기여합니다.
ECM은 조직 기능에 필수적인 동적 구조입니다. 그러나 병리학적 변화는 시상하부의 ARC 내에서 Agouti-Related Protein (AgRP)를 방출하는 뉴런 주변의 신경주위망 형태로 ECM에서 섬유증을 증가시킬 수 있습니다. 섬유성 축적은 인슐린의 작용을 방해합니다. 연구에 따르면 인슐린 저항성은 비만과 인슐린 독립성 당뇨병과 같은 대사 질환을 초래할 수 있습니다.
연구에 대하여
본 연구는 비만과 같은 대사 질환에서 ARC 세포외 기질의 재형성을 조사했습니다.
연구자들은 쥐에게 일반 사료 또는 고지방, 고당(HFHS) 식이를 제공했습니다. HFHS 식이를 사용하여 쥐에서 당뇨병을 유도했습니다. 그들은 혈당을 모니터링하고 실험을 위한 안정적인 혈당 값을 보여주는 쥐를 사용했습니다.
연구자들은 신경 염증이 시상하부의 AgRP 뉴런 주위에 그물 형성을 유발했는지 조사하기 위해 면역 조직 화학을 수행했습니다. 쥐에 대한 스테레오택틱 주입을 통해 시상하부 염증을 유도하고 억제했습니다. Wisteria floribunda 렉틴(WFA) 염색이 HFHS-사료를 먹은 쥐의 ECM에서 신경주위망을 표시했습니다.
연구자들은 AgRP 뉴런의 인슐린 수용체를 파괴하여 신경 섬유증과 대사 기능 장애 사이의 인과 관계를 이해했습니다. 비만이 인슐린 저항성을 촉진하는지 확인하기 위해 연구자들은 인슐린-형광 이소시안산염(FITC)을 투여하고 그들의 시상하부 뉴런에서의 진입과 신호 전달을 측정했습니다. 대사 측정값은 공복 혈당 또는 혈장 인슐린과 지방 이였습니다.
연구자들은 시상하부의 염증이 뉴런의 ECM에서 신경주위망과 섬유성 축적을 촉진하는지 조사했습니다. 이를 위해서는 종양 괴사 인자 알파(TNF-α) 및 종양 성장 인자 베타(TGF-β) 수용체를 발현하는 아데노 연관 바이러스(AAV)를 투여했습니다. TNF-α는 염증을 증가시키는 반면, TGF-β는 항염증적입니다. 이 수용체들은 자신의 단백질에 결합하여 인위적으로 발현을 증가시킵니다. 연구자들은 이 AAV를 신경주위망을 용해하는 효소인 콘드로이틴 분해 효소 ABC(chABC)와 함께 공동 투여했습니다.
패치 클램프 전기생리학 실험은 인슐린이 in vitro에서 PNN과 상호작용하는 것을 평가했습니다. 연구자들은 마우스 샘플을 유전자형 분석하여 마른 쥐와 비만 쥐의 중배부 시상하부에서 ECM의 유전적 발현을 정량화했습니다. 치료 가능성을 탐색하기 위해 콘드로이틴 황산 합성을 방지하는 약물인 플루오로사민을 비강 내 투여하고 쥐의 뇌척수액에 주사하여 10일 동안 연구했습니다.
결과
비만 쥐에서 ECM은 ARC 뉴런 주변의 신경주위망 형태로 축적됩니다. 신경주위망은 한 번 형성된 후 이러한 ‘배고픔 뉴런’의 성숙을 촉진합니다. 이 성숙한 뉴런들은 시상하부 아크 덩어리에서 AgRP를 방출하여 ECM에서 섬유화를 유도합니다. 비만 쥐, HFHS-사료를 먹인 쥐, 유전적으로 변형된 대사 질환 모델에서는 AgRP 뉴런 주변의 신경주위망 형성이 증가했습니다.
섬유성 그물은 아크 덩어리 내의 인슐린 수치를 감소시키고 인슐린 수용체의 신호 전달 활동을 억제했습니다. 인슐린 기능 저하는 AgRP 방출 배고픔 뉴런의 발사를 증가시켰습니다. 그러나 효소를 사용하여 신경주위망을 분해한 후 인슐린 수치는 회복되었습니다. 이 분해는 또한 칼륨 이온 농도를 증가시켰습니다. 결과적으로 AgRP 뉴런의 발사는 감소했습니다. 인슐린 수치 회복은 또한 포도당 대사를 개선하고 체중을 감소시켰습니다.
배고픔 뉴런 주변의 섬유성 그물은 AgRP 뉴런의 인슐린 수용체를 암호화하는 유전자의 발현을 하향 조절했습니다. 이 발견은 뉴런 주변의 섬유화가 증가함으로써 ECM 재형성이 대사 기능을 저해하여 인슐린 저항성을 증가시키거나 인슐린 활동을 낮춘다는 것을 나타냈습니다. 그러나 비만 쥐에서의 결과는 신경주위망이 체중 조절 호르몬인 렙틴의 활성에 영향을 미치지 않음을 나타냈습니다.
비만은 염증성 TNF-α 수치를 증가시키지만 항염증성 TGF-β의 발현을 감소시킵니다. 체중 증가 또한 금속 단백질 분해효소의 발현을 감소시킵니다. 금속 단백질 분해효소는 배고픔 뉴런 주위의 섬유성 그물을 소화할 수 있는 효소입니다. AAV를 사용하여 시상하부의 염증을 억제하면 금속 단백질 분해효소의 발현이 개선되었습니다.
플루오로사민은 인슐린 민감성을 회복시키고 시상하부 뉴런에서 정상적인 ECM 형성을 유도했습니다. 그 결과 체중이 감소하고 대사 기능이 개선되었습니다. 이러한 발견은 시상하부 염증을 줄이고 ECM에서 섬유성 축적을 방지하는 약물이 인슐린과 금속 단백질 분해효소 기능을 개선하여 대사를 향상시킬 수 있음을 나타냅니다.
결론
이 발견을 바탕으로, 시상하부의 ECM 재형성이 대사 질환으로 이어질 수 있습니다. AgRP 뉴런 주변에서 형성되는 신경주위망을 파괴할 수 있는 약물과 효소는 인슐린 활동을 개선하여 대사를 향상시키고 체중을 감소시킬 수 있습니다.
