저항성 운동에 따른 유전자 발현양상 분석

Abstract

본 연구는 저항성 운동 관련 유전자와 저항성 운동수행능력 관련 유전자를 규명하기 위하여 흰쥐를 대상으로 8주간의 저항성 운동을 실시한 후 주차별과 운동기간별 체중 및 골격근의 무게, 저항성 운동수행능력 검사를 실시하였으며, 운동기간별 total RNA를 분리한 후 BeadChip을 이용한 Bead array로 대규모 유전자 발현양상을 분석하였고, Bead array data 검증과 RNA의 정량분석을 위하여 qPCR을 실시하였다. 또한 발현 데이터를 hierarchical cluster와 tree view를 이용하여 집단과 운동기간별 발현양상을 군집분석 하였으며, 유전자들 간의 생물학적 상호관계를 확인하기 위하여 Gene Ontology 분석을 실시하여 발현 데이터에 대한 생물학적, 기능학적 pathway를 분석한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다. 1. 저항성 운동의 효과 1) 주차별 체중의 변화는 4주차 집단군에서 집단 간 변인에 따른 차이 검정 결과 유의한 차이가 나타나지 않았으나, 집단 내 변인에서는 유의한 차이가 나타났다(p<.001). 집단 간과 집단 내 변인들 간의 변화 추이를 살펴본 결과 변인들 간에 교호작용이 유의하게 나타났다(p<.01). 이에 대한 사후 검증 결과 체중의 변화는 모든 집단에서 주차별로 유의하게 증가하는 것으로 나타났다(p<.001). 또한 8주차 집단군에서의 주차별 체중의 변화는 집단 간 변인에 따른 차이 검정 결과 유의한 차이를 보였고(p<.01), 집단 내 변인에서도 유의한 차이가 나타났다(p<.001). 집단 간과 집단 내 변인들 간의 변화 추이를 살펴본 결과 변인들 간에 교호작용이 유의하게 나타났다(p<.001). 이에 대한 사후 검증 결과 체중의 변화는 운동 2주차(p<.01; ACG>HPG, ACG>LPG), 3주차(p<.05; ACG>HPG), 4주차(p<.05; ACG>HPG), 5주차(p<.01; ACG>HPG), 6주차(p<.01; ACG>HPG, ACG>LPG), 7주차(p<.05; ACG>HPG), 8주차(p<.01; ACG>HPG, ACG>LPG)에서 유의한 차이를 보였다. 그리고 집단 내 변인에서도 모든 집단은 주차별로 체중이 유의하게 증가하는 것으로 나타났다(p<.001). 2) 절대적 골격근 무게의 변화는 집단 간 변인에 따른 차이 검정 결과 유의한 차이가 나타나지 않았으나, 집단 내 변인에서는 유의한 차이가 나타났다(p<.001). 집단 간과 집단 내 변인들 간의 변화 추이를 살펴본 결과 변인들 간에 교호작용이 나타나지 않았다. 집단 내 변인에 대한 사후 검증 결과 절대적 골격근 무게의 변화는 노화 통제 집단(p<.05; pre<post 8wks), 저항성 운동 우수 집단(p<.001; pre<post 4wks, pre<post 8wks)과 열세 집단(p<.01; pre<post 8wks, post 4wks<post 8wks)에서 유의한 차이를 보였다. 3) 상대적 골격근 무게의 변화는 집단 간 변인에 따른 차이 검정 결과 유의한 차이가 나타났으나(p<.001), 집단 내 변인에서는 유의한 차이를 보이지 않았다. 집단 간과 집단 내 변인들 간의 변화 추이를 살펴본 결과 변인들 간에 교호작용이 유의하게 나타났다(p<.05). 이에 대한 사후 검증 결과 상대적 골격근 무게의 변화는 운동 4주차(p<.01; ACG<HPG)와 8주차(p<.01; ACG<HPG, ACG<LPG)에서 유의한 차이를 보였다. 4) 주차별 절대적 저항성 운동수행능력의 변화는 4주차 집단군에서 집단 간 변인에 따른 차이 검정 결과 유의한 차이를 보였고(p<.001), 집단 내 변인에서도 유의한 차이가 나타났다(p<.001). 집단 간과 집단 내 변인들 간의 변화 추이를 살펴본 결과 변인들 간에 교호작용이 유의하게 나타났다(p<.001). 이에 대한 사후 검증 결과 절대적 저항성 운동수행능력의 변화는 운동 2주차(p<.05), 3주차(p<.001), 4주차(p<.01)에서 저항성 운동 우수 집단이 열세 집단 보다 유의하게 높은 것으로 나타났다. 그리고 집단 내 변인에서 두 집단 모두 주차별로 절대적 저항성 운동수행능력이 유의하게 증가하는 것으로 나타났다(p<.001). 또한 8주차 집단군에서 주차별 절대적 저항성 운동수행능력의 변화는 집단 간 변인에 따른 차이 검정 결과 유의한 차이를 보였고(p<.01), 집단 내 변인에서도 유의한 차이가 나타났다(p<.001). 집단 간과 집단 내 변인들 간의 변화 추이를 살펴본 결과 변인들 간에 교호작용이 유의하게 나타났다(p<.001). 이에 대한 사후 검증 결과 절대적 저항성 운동수행능력의 변화는 운동 3주차(p<.05), 6주차(p<.05), 7주차(p<.05), 8주차(p<.05)에서는 저항성 운동 우수 집단이 열세 집단 보다 유의하게 높은 것으로 나타났다. 그리고 집단 내 변인에서 두 집단 모두 주차별로 절대적 저항성 운동수행능력이 유의하게 증가하는 것으로 나타났다(p<.001). 5) 주차별 상대적 저항성 운동수행능력의 변화는 4주차 집단군에서 집단 간 변인에 따른 차이 검정 결과 유의한 차이를 보였고(p<.01), 집단 내 변인에서도 유의한 차이가 나타났다(p<.001). 집단 간과 집단 내 변인들 간의 변화 추이를 살펴본 결과 변인들 간에 교호작용이 유의하게 나타났다(p<.001). 이에 대한 사후 검증 결과 상대적 저항성 운동수행능력의 변화는 운동 2주차(p<.05), 3주차(p<.01), 4주차(p<.01)에서는 저항성 운동 우수 집단이 열세 집단 보다 유의하게 높은 것으로 나타났다. 그리고 집단 내 변인에서 두 집단 모두 주차별로 상대적 저항성 운동수행능력이 유의하게 증가하는 것으로 나타났다(p<.001). 또한 8주차 집단군에서 주차별 상대적 저항성 운동수행능력의 변화는 집단 간 변인에 따른 차이 검정 결과 유의한 차이를 보였고(p<.001), 집단 내 변인에서도 유의한 차이가 나타났다(p<.001). 집단 간과 집단 내 변인들 간의 변화 추이를 살펴본 결과 변인들 간에 교호작용이 유의하게 나타났다(p<.001). 이에 대한 사후 검증 결과 상대적 저항성 운동수행능력의 변화는 운동 1주차(p<.05), 2주차(p<.05), 3주차(p<.05), 5주차(p<.05)에서는 저항성 운동 우수 집단이 열세 집단 보다 유의하게 높은 것으로 나타났다. 그리고 집단 내 변인에서 두 집단 모두 주차별로 상대적 저항성 운동수행능력이 유의하게 증가하는 것으로 나타났다(p<.001). 이상과 같은 결과를 종합해 보면 8주간의 저항성 사다리 운동은 전반적으로 흰쥐의 골격근 향상에 긍정적인 운동 효과를 유발하며, 이러한 효과는 특히 저항성 운동 우수 집단에서 보다 뚜렷하게 나타나는 것을 확인 할 수 있었다. 따라서 본 연구에서는 8주간의 저항성 사다리 운동을 흰쥐의 골격근 향상에 효과적인 운동 방법으로 제안한다. 2. 분자 생화학적 분석 1) 저항성 운동 후보 유전자군 노화 통제 집단 4주차를 기준으로 4주차의 저항성 운동 우수 집단과 열세 집단에서 유전자의 발현을 분석한 결과 두 집단 모두에서 유전자의 발현이 2배 이상 증가한 유전자는 Gc, Ttr, Csrp3, Fabp1, Apoc1, Aldob, Pck1, Cyp2e1, Cyp2c7, Nr1d1, Mybph, Fgg, Ambp, Hpx, Hp, Ahsg, Alpha-2u globulin PGCL1, RIKEN cDNA 1700102P08, Alpha-2u globulin PGCL2, Alpha-1-inhibitor III, Cyp3a23/3a1, Apoh, Alpha-2u globulin PGCL3, Serpina3k, Serpina1, Heat shock 27kD protein family member 7, Myomesin family member 3, Malignant fibrous histiocytoma amplified sequence 1 으로 28개였으며, 노화 통제 집단 8주차를 기준으로 8주차의 저항성 운동 우수 집단과 열세 집단에서 유전자의 발현을 분석한 결과 두 집단 모두에서 유전자의 발현이 2배 이상 증가한 유전자는 RIKEN cDNA 1700102P08, Mybph, Ltb, DnaJ (Hsp40) homolog subfamily C member 1 으로 4개였다. 그리고 노화 통제 집단 4주차와 8주차를 기준으로 4주차와 8주차의 저항성 운동 우수 집단과 열세 집단에서 유전자의 발현을 분석한 결과 모든 집단에서 유전자의 발현이 2배 이상 증가한 유전자는 RIKEN cDNA 1700102P08, Mybph 으로 2개였다. 끝으로 노화 통제 집단 0주차(운동 전)를 기준으로 저항성 운동 집단군에서만 유전자의 발현이 2배 이상 증가한 유전자는 Mybph, RIKEN cDNA 1700102P08, Heat shock 27kD protein family member 7, Mustn1, Pde10a, 1300013J15Rik protein 으로 6개였다. 이상과 같은 결과를 종합해 보면 노화 통제 집단 4주차를 기준으로 4주차 저항성 운동 집단군에서 2배 이상 발현의 증가를 보인 28개의 유전자와 노화 통제 집단 8주차를 기준으로 8주차 저항성 운동 집단군에서 2배 이상 발현의 증가를 보인 4개의 유전자를 각각 4주차와 8주차 저항성 운동 후보 유전자군으로 제안한다. 이 중 4주차와 8주차 집단 모두에서 발현의 차이를 보인 2개의 유전자와 노화 통제 집단 0주차(운동 전)를 기준으로 저항성 운동 집단군에서 2배 이상 발현의 증가를 보인 6개의 유전자를 저항성 운동 후보 유전자군으로 제안한다. 2) 저항성 운동수행능력 후보 유전자군 노화 통제 집단 4주차 대비 4주차의 저항성 운동 집단군에서 발현의 증가를 보인 유전자를 중심으로 저항성 운동 우수 집단과 열세 집단을 비교했을 때 저항성 운동 우수 집단이 열세 집단 보다 2배 이상 발현의 증가를 보인 유전자는 Gc, Igfbp1, Fabp1, Apoc1, Sult1e1, Cyp2e1, Cyp2c, Cyp2c7, Cyp2c22, Mybph, Ambp, Hpx, Hp, Ahsg, Alpha-2u globulin PGCL1, RIKEN cDNA 1700102P08, Alpha-2u globulin PGCL2, Alpha-1-inhibitor III, Cyp3a23/3a1, Apoh, Alpha-2u globulin PGCL3, Serpina3k, Serpina1, Mup5, Mup4, Ces3, Major urinary protein precursor, Itih4, ENSANGP00000020885, Histidine-rich glycoprotein, Plasminogen, High mobility group nucleosomal binding domain 1, Cytochrome P450 family 3 subfamily a polypeptide 1 으로 33개였으며, 노화 통제 집단 8주차 대비 8주차의 저항성 운동 집단군에서 발현의 증가를 보인 유전자를 중심으로 저항성 운동 우수 집단과 열세 집단을 비교했을 때 저항성 운동 우수 집단이 열세 집단 보다 2배 이상 발현의 증가를 보인 유전자는 Mybph, High mobility group nucleosomal binding domain 1, Pde10a, Microsomal glutathione S-transferase 3 으로 4개였다. 그리고 노화 통제 집단 4주차와 8주차 대비 4주차와 8주차의 저항성 운동 집단군에서 발현의 증가를 보인 유전자를 중심으로 저항성 운동 우수 집단과 열세 집단을 비교했을 때 저항성 운동 우수 집단이 열세 집단 보다 2배 이상 발현의 증가를 보인 유전자는 Mybph, High mobility group nucleosomal binding domain 1 으로 2개였다. 이상과 같은 결과를 종합해 보면 노화 통제 집단 4주차를 기준으로 4주차 저항성 운동 집단군에서 저항성 운동 우수 집단이 열세 집단에 비해 2배 이상 발현의 증가를 보인 33개의 유전자와 노화 통제 집단 8주차를 기준으로 8주차 저항성 운동 집단군에서의 4개의 유전자를 각각 4주차와 8주차 저항성 운동수행능력 후보 유전자군으로 제안한다. 이 중 4주차와 8주차 집단 모두에서 저항성 운동 우수 집단이 열세 집단에 비해 2배 이상 발현의 증가를 보인 2개의 유전자를 저항성 운동수행능력 후보 유전자군으로 제안한다. 결론적으로 흰쥐를 대상으로 한 8주간의 저항성 사다리 운동은 골격근 향상을 위한 효과적인 저항성 운동 방법으로 사료되며, 저항성 운동과 관련된 특정 유전자의 발현을 유도하는 것으로 나타났다. 특히 저항성 사다리 운동을 통하여 유의하게 발현된 유전자군과 저항성 운동수행능력 수준 차이에 따라 유의하게 발현된 특정 유전자군을 확인 할 수 있었다. 따라서 본 연구는 이러한 유전자군을 각각 저항성 운동 후보 유전자군과 저항성 운동수행능력 후보 유전자군으로 제안하는 바이다.; This study was to examine genes related with resistance exercise and genes related with resistance exercise performance. After 8-weeks resistance exercise of rats, the study investigated weight by weeks and by exercise period, weight of skeletal muscles, and resistance exercise performance. After separating total RNA by each exercise period, large-scale gene expression was investigated by bead array with using bead chip, and qPCR was used to inspect bead array data and to analyze RNA quantitatively. In addition, cluster analysis among groups and exercise periods was done by using hierarchical cluster and tree view. Furthermore, the gene ontology analysis was done to investigate biological relations between genes to find out biological and functional pathway of the expression data. The findings were as follow: 1. Effects of Resistance Exercise 1) The weight change of the 4th week groups had no significant difference depending upon variables between groups, but variables within conditions had significant difference (p<.001). The variables between groups and within conditions made change, and the reciprocal action between variables had significant difference (p<.01). At post-hoc analysis, the weight increased significantly at all of the groups by each week (p<.001). The weight of the 8th week groups made change by each week and had significant difference depending upon variables between groups (p<.01), also the variables within conditions had significant difference (p<.001). The variables between groups and within conditions made change, and the reciprocal action between variables had significant difference (p<.001). At post-hoc analysis, aging control group had higher weight than resistance exercise group at the 2nd week (p<.01), the 3rd week (p<.05), the 4th week (p<.05), the 5th week (p<.01), the 6th week (p<.01), the 7th week (p<.05), and the 8th week (p<.01). The weight of all of the groups increased significantly (p<.001). 2) The absolute weight of skeletal muscles had no significant difference depending upon variables between groups, and variables within conditions had significant difference (p<.001). At changes of the variables between groups and within conditions, there was not reciprocal action. At post-hoc analysis of variables within conditions, aging control group (p<.05), high performance group (p<.001), and low performance group (p<.01) had significant difference. 3) The relative weight of skeletal muscles had significant difference depending upon variables between groups (p<.001), but there was no significant difference at variables within conditions. At changes of inter-variables between groups and within conditions, the reciprocal action between variables had significant difference (p<.05). At post-hoc analysis, resistance exercise group illustrated significantly higher relative weight of skeletal muscles than aging control group at the 4th week exercise (p<.01) and the 8th week exercise (p<.01). 4) In the absolute resistance exercise performance among weeks, the 4th week groups had significant difference depending upon variables between groups (p<.001) and within conditions (p<.001). The reciprocal action between variables both between groups and within conditions had significant difference (p<.001). At post-hoc analysis, the absolute resistance exercise performance of high performance group was significantly higher than that of low performance exercise group at the 2nd week (p<.05), the 3rd week (p<.001), and the 4th week (p<.01). The absolute resistance exercise performance of both groups increased significantly (p<.001) by each week among variables within conditions. The absolute changes of resistance exercise performance of the 8th groups showed significant difference depending upon variables between groups (p<.01) and variables within conditions (p<.001). The reciprocal action between variables both between groups and within conditions had significant difference (p<.001). At post-hoc analysis, the absolute resistance exercise performance of high performance group was significantly higher than that of low performance exercise group at the 3rd week (p<.05), the 6th week (p<.05), the 7th week (p<.05), and the 8th week (p<.05). And, the absolute resistance exercise performance of both groups increased significantly by each week at variables within conditions (p<.001). 5) In the relative resistance exercise performance among weeks, the 4th week groups had significant difference depending upon variables between groups (p<.01) and within conditions (p<.001). The changes were made between groups and within conditions had significant reciprocal action between variables (p<.001). At post-hoc analysis, the relative resistance exercise performance of high performance group was significantly higher than that of low performance exercise group at the 2nd week (p<.05), the 3rd week (p<.01), and the 4th week (p<.01). And, variables within conditions of both groups increased relative resistance exercise performance significantly by each week (p<.001). The relative changes of resistance exercise performance of the 8th groups showed significant difference depending upon variables between groups (p<.001) and variables within conditions (p<.001). The reciprocal action between variables both between groups and within conditions had significant difference (p<.001). At post-hoc analysis, the relative resistance exercise performance of high performance group was significantly higher than that of low performance exercise group at the 1st week (p<.05), the 2nd week (p<.05), the 3rd week (p<.05), and the 5th week (p<.05). Both groups increased relative resistance exercise performance significantly by each week at variables within conditions (p<.001). In conclusion, 8-weeks resistance exercise (ladder climbing) produced positive exercise effects to improve skeletal muscles of rats. Especially, this effect was obviously showed in high performance group. Therefore, this study suggests 8-weeks resistance exercise (ladder climbing) to improve rats' skeletal muscles. 2. Molecular Biochemistry Analysis 1) Resistance Exercise Candidate Gene Group This study was to examine gene expression of high performance group as well as low performance group based on the 4th week aging control group. Gene expression of both groups were increased more than two times by 28 genes; Gc, Ttr, Csrp3, Fabp1, Apoc1, Aldob, Pck1, Cyp2e1, Cyp2c7, Nr1d1, Mybph, Fgg, Ambp, Hpx, Hp, Ahsg, Alpha-2u globulin PGCL1, RIKEN cDNA 1700102P08, Alpha-2u globulin PGCL2, Alpha-1-inhibitor III, Cyp3a23/3a1, Apoh, Alpha-2u globulin PGCL3, Serpina3k, Serpina1, Heat shock 27kD protein family member 7, Myomesin family member 3, and Malignant fibrous histiocytoma amplified sequence 1. On the other hand, gene expression of both groups based on the 8th week aging control group was increased more than two times by 4 genes; RIKEN cDNA 1700102P08, Mybph, Ltb, and DnaJ (Hsp40) homolog subfamily C member 1. Gene expression of both 4th and 8th week exercise groups based on 4th and 8th week aging control groups were increased more than two times at all of the groups consisted of 2 genes; RIKEN cDNA 1700102P08 and Mybph. Finally, gene expression of resistance exercise group was increased more than two times based on pre-exercise of aging control group consisted of 6 genes; Mybph, RIKEN cDNA 1700102P08, Heat shock 27kD protein family member 7, Mustn1, Pde10a, and 1300013J15Rik protein. In conclusion, the study suggests the genes to be the 4th week and the 8th week resistance exercise candidate gene group, in other words, 28 genes that increased gene expression more than two times at the 4th week resistance exercise group based on the 4th week aging control group, and 4 genes that increased gene expression more than two times at the 8th week resistance exercise group based on the 8th week aging control group. In addition, the results of the study suggests the genes to be resistance exercise candidate gene group, in other words, 2 genes that had expression difference at both the 4th week group and the 8th week group and 6 genes that increased expression more than two times at resistance exercise group based on pre-exercise of aging control group. 2) Resistance Exercise Performance Candidate Gene Group Gene expression of the 4th week resistance exercise group was increased more than that of the 4th week aging control group. Gene expression of high performance group was increased more than two times than that of low performance group at 33 genes; Gc, Igfbp1, Fabp1, Apoc1, Sult1e1, Cyp2e1, Cyp2c, Cyp2c7, Cyp2c22, Mybph, Ambp, Hpx, Hp, Ahsg, Alpha-2u globulin PGCL1, RIKEN cDNA 1700102P08, Alpha-2u globulin PGCL2, Alpha-1-inhibitor III, Cyp3a23/3a1, Apoh, Alpha-2u globulin PGCL3, Serpina3k, Serpina1, Mup5, Mup4, Ces3, Major urinary protein precursor, Itih4, ENSANGP00000020885, Histidine-rich glycoprotein, Plasminogen, High mobility group nucleosomal binding domain 1, and Cytochrome P450 family 3 subfamily a polypeptide 1. On the other hand, gene expression of the 8th week resistance exercise group was increased more than that of the 8th week aging control group. Gene expression of high performance group was increased more than two times than that of low performance group at 4 genes; Mybph, High mobility group nucleosomal binding domain 1, Pde10a, and Microsomal glutathione S-transferase 3. Moreover, gene expression of the 4th week and the 8th week aging control group was increased more than those of the 4th week and the 8th week group. Gene expression of high performance group was increased more than two times than that of low performance group at 2 genes; Mybph and High mobility group nucleosomal binding domain 1. In conclusion, the study suggests the genes to be the 4th week and the 8th week resistance exercise candidate gene group, in other words, 33 genes that high performance group increased gene expression more than two times than low performance group, and 4 genes of the 8th week resistance exercise group based on the 8th week aging control group. The results of this study suggests the genes to be resistance exercise candidate gene group, in other words, two genes that high performance group increased gene expression more than two times than low performance group did at the 4th group as well as the 8th group.