Zucker Diabetic Fatty(ZDF) rat의 간, 근육 지방조직에서의 metformin 처리에 의한 유전자 발현 프로파일링 연구

Abstract

제 2형 당뇨병은 대표적인 대사 질환 중의 하나로써, insulin resistance와 beta cell 부전에 의한 insulin 분비 결함, liver의 glucose 과잉 생성에 의해 발병된다. 제 2형 당뇨병의 치료에 가장 널리 쓰이는 metformin은 혈당강하제로써 liver에서의 gluconeogenesis를 억제하고, 말초조직인 muscle에서 glucose의 uptake를 높이며, free fatty acid의 생산을 낮춤으로써 lipid metabolism을 향상시키는 역할을 한다. 이는 제 2형 당뇨병의 가장 큰 원인인 insulin resistance를 감소시킨다. 본 연구는 microarray라는 tool을 이용하여, 제 2형 당뇨병 모델 동물인 ZDF(Zucker Diabetic Fatty) rat에서 metformin의 처리에 의해 유도되는 gene expression을 분석하여 그 메커니즘을 규명하고자 수행되었다. 12주령(당뇨 발현 후) 당뇨병 모델동물인 ZDF rats에 metformin을 경구투여한 후 liver, muscle, WAT(White Adipose Tissue)에서 total RNA를 추출, Rat Genome Oparray 27K oligo chip을 사용하여, 약물 처리를 하지 않은 ZDF rats에 대비한 gene expression 변이를 분석하였다. 또한 이 분석 결과를 정상 그룹인 ZLC(Zucker Lean Control) rats과 당뇨 그룹인 ZDF rats 그룹간의 hybridization 실험을 수행한 결과와 유전자 발현 변이를 비교하였다. Sample PCA와 hierarchical clustering 분석을 통하여 metformin을 처리한 그룹(ZFM group)과 normal rats 그룹(ZLC group)에서, 1.5-fold change 이상에서 공통적으로 발현 변이를 보이는 유전자들을 발굴함으로서 두 그룹 간에 유전자 발현 비율이 상관관계가 있음을 보였다. 약물 처리 그룹인 ZFM rats의 liver와 muscle, WAT에서 발현되는 gene들의 pathway 분석을 시행한 결과, 먼저 liver에서는 gluconeogenesis과 관련된 효소를 암호화하는 유전자인 Fbp2, Eno2 등을 포함하여 많은 유전자들이 down-regulation되었으며 이를 통해 gluconeogenesis가 억제됨으로서 glucose 생성이 감소되었다는 것을 알 수 있었다. 또한 liver와 muscle, WAT 모두에서 fatty acid metabolism과 관련된 유전자들이 상당 수 up-regulation되었으며 이를 통해 fatty acid의 oxidation이 활발히 일어남으로서 insulin resistance를 개선하는 효과를 알 수 있었다. Adipocytokine signaling pathway에서는 adiponectin과 adiponetin receptor, GLUT4 관련 유전자들이 up-regulation 되어 말초조직에서의 glucose uptake가 증가함을 알 수 있었으며, Insulin signaling pathway에 관련된 IRS 유전자들도 up-regulation됨으로서 insulin dependent mechanism이 향상되었음을 알 수 있었다. 이러한 결과들은 AMP activated protein kinase(AMPK) pathway와 관련지어 생각해 볼 수 있는데, metformin이 이 AMPK에 작용하여 이를 활성화시킴으로서 down stream인 gluconeogenesis와 fatty acid metabolism, adipocytokine signaling pathway와 insulin signaling pathway등에 영향을 줌으로서 일어나는 결과들이라 예측해 볼 수 있다. 이러한 연구 결과는 향후 제 2형 당뇨병과 insulin resistance의 분자적 메커니즘을 밝히는 데 candidate gene들을 제공할 것이다.; Type 2 diabetes mellitus is a common metabolic disease involving abnormal carbohydrate regulation and lipid metabolism by insulin. Insulin resistance, the failure to respond to normal circulating concentrations of insulin, occurs early in the disease process and plays a major role in its development. Metformin, a anti-diabetic drug, is widely used as a antihyperglycemic reagent for type 2 diabetes. Key mechanism of metformin is decreases hepatic glucose production and increases glucose uptake. A recent advancement in genomic research, microarray technology allows for the expression of thousands of gene to be quickly and easily monitored in parallel. Studies using microarrays have been performed to identify candidate genes related insulin resistance and diabetes. However, the detailed molecular mechanism of type 2 diabetes and action of metformin remains to be elucidated. To gain insight into this, we characterized gene expression profiles from insulin sensitive tissues, including liver, muscle and white adipose tissue of Zucker diabetic fatty (ZDF), a well characterized type 2 diabetes animal model, and Zucker lean control (ZLC) rats, and ZDF rats that treated with metformin (named as ZFM rats). Gene expression profiles from ZLC rats (12 weeks) and ZDF rats (12 weeks) that is treated with metformin were compared with age- and sex-matched ZDF rats using 27k oligo chips (operon). Differentially regulated genes demonstrating over 1.5-fold change were identified and categorized through hierarchical clustering and pathway analysis. These data showed that expression of glucos / gluconeogenesis genes was down-regulated in liver and white adipose tissue of ZFM rats. Expression of fatty acid metabolism related genes was up-regulated in liver, muscle and white adipose tissue of ZFM rats. Cytochrome P450 genes and antioxidant genes were also up-regulated in all three tissues of ZFM rats. In addition, metformin alters the gene expression level of multiple genes linked to the other metabolic pathways including adipocytokine and insulin signaling pathway. Theses results might provide better understanding of metformin action in the type 2 diabetes.