운동선수군에서 미토콘드리아 DNA의 D-loop region에 존재하는 유전적 변이가 철분대사에 미치는 영향

Abstract

미토콘드리아에는 한 쌍의 DNA 분자를 포함하고 있으며(mtDNA), 인간의 경우 그 크기가 16,569 bp인 것으로 알려졌다. mtDNA 상에는 총 37 종류의 유전자들을 함유하고 있는데, 단백질을 암호화하고 있는 유전자가 13 종류이고, tRNA가 22 종류이며, 그 외에 2 종류의 rRNA(12S와 16S)를 포함하고 있다. 비록, mtDNA는 전 유전체(genome)에 걸쳐서 유전자들이 밀집해 있는 양상을 나타내지만 D-loop region의 경우에는 mtDNA의 다른 부분들에 비해서 단백질을 암호화하지 않는 부분인 관계로 많은 돌연변이가 발생하여 유전적 다양성을 증가시키는 지역으로 알려져 있다. 이러한 이유로 현재까지 많은 연구자들은 mtDNA의 D-loop region에 존재하는 유전적 변이들을 유전자 표지(genetic marker)로 사용하여 임상적인 표현형들과의 관련성을 분석하였으며 몇몇 연구들에서 이러한 유전자 다형성들이 운동수행능력 및 철분대사 변인 등과 유의한 관련성이 있는 것으로 보고하였다. 따라서 본 연구에서는 mtDNA의 D- loop region에 존재하는 유전적 변이의 빈도가 남성대조군 및 운동선수군에서 차이를 나타내는 지를 분석함과 함께 이 유전자 다형성이 적혈구 수, 백혈구 수, 혈소판 수, 헤마토크리트, 혈청 철분, 페리틴, 트랜스페린 및 합토글로빈 농도와 같은 철분대사 변인과 어떠한 관련성을 나타내는 지를 분석고자 하였다. mtDNA의 D-loop region에 존재하는 다형성들 중에서 C 염기가 A 염기로 치환되는 다형성은 중합효소 연쇄반응과 제한 효소인 KpnI을 사용하여 분석하였으며, 철분대사 변인은 자동화분석기를 이용하여 다음과 같은 결과를 얻었다. (1) 대조군과 운동선수군 의 철분대사 변인의 비교 대조군과 운동선수군을 대상으로 철분대사 변인들의 값을 비교한 결과, 운동선수군은 대조군에 비해서 적혈구 수, 헤마토크리트, 혈청 철분, 페리틴 및 트랜스페린 농도에 있어서 유의하게 낮은 값을 나타내었다(P<.05). (2) mtDNA 다형성의 분포 mtDNA의 C 염기가 A 염기로 치환되는 다형성의 분포를 조사한 결과, 전체 연구대상자들의 경우에는 C 대립유전자를 갖는 연구대상자들의 비율이 72%인 반면에 A 대립유전자를 갖는 연구대상자들의 비율은 28%인 것으로 나타났다. 대조군과 운동선수군 사이에 mtDNA의 다형성의 빈도를 비교한 결과, 대립유전자 빈도가 두 군 사이에 완전히 일치하는 양상을 나타내었다. (3) mtDNA 다형성과 철분대사 변인과의 관계 mtDNA의 다형성이 전체 연구대상자들에서 철분대사 변인에 미치는 영향을 분석하였을 때 이 다형성은 혈청 철분 농도와 유의한 관련성을 나타내었다(t = 2.386, P = 0.019). 특히 A 대립유전자를 갖는 연구대상자들(104.8 ± 36.7)은 C 대립유전자(87.9 ± 29.5)를 갖는 연구대상자들에 비해 보다 더 높은 혈청 철분 농도 값을 나타내었다. 연구대상자들을 대조군과 운동선수군으로 구분한 후에 각각의 집단에 대해서 전술한 분석을 수행하였을 때, 운동선수군에서 이러한 유의성이 반복되었다(t = 2.827, P = 0.019). 이 경우에도 역시 A 대립유전자를 갖는 연구대상자들(99.9 ± 29.3)은 C 대립유전자(77.9 ± 22.8)를 갖는 연구대상자들에 비해서 유의하게 더 높은 혈청 철분 농도 값을 나타내었다. (4) 혈청 철분 농도에 대한 상호작용 효과 혈청 철분 농도에 영향을 미치는 요인들에 대한 상호작용 효과를 분석하기 위하여 mtDNA의 다형성(C 대립유전자와 A 대립유전자의 2 요인)과 운동 상태(대조군과 운동선수군의 2 요인)를 독립 변인으로 하여 이원분산분석을 수행하였다. 그 결과 전술한 요인들 사이에 유의한 상호작용 효과가 관측되지 않았으며 mtDNA의 다형성(F = 6.062, P = 0.016)과 운동 상태(F = 4.716, P = 0.032)는 혈청 철분 농도와 독립적으로 유의한 관련성을 나타내었다. 이러한 결과는 혈청 철분 농도의 변화 양상이 mtDNA의 다형성과 운동 상태에 의해 독립적으로 영향을 받는다는 사실을 암시하며 이러한 관련성과 관련된 분자적 기전을 규명하기위한 추가 연구가 필요할 것으로 사료된다.; Mitochondia include the closed circular DNA molecules(mtDNA), and in the case of human, the size of mtDNA is 16,569 bp. A mtDNA has a total of 37 genes including 13 protein-coding genes, 22 tRNAs and 2 rRNAs(12S and 16S). Although a mtDNA includes relatively little protein-noncoding region, a D-loop region of mtDNA is the largest protein-noncoding domain, and the origin of variability. Until now, the genetic polymorphisms in the D-loop region of mtDNA have been analyzed in many study groups, and it has been reported that this genetic polymorphisms were significantly associated with many clinical phenotypes such as physical performance and iron metabolism. In this study, I investigated the frequencies of a C to A genetic polymorphism in the D-loop region of mtDNA in the both male controls and judoists, and analyzed the relationship between this polymorphism and iron metabolism associated with parameters including RBC count, WBC count, platelet count, hematocrit, serum iron, ferritin, transferrin and haptoglobin levels. The C to A polymorphism of mtDNA were analyzed by PCR-KpnI restriction digestion method, and iron metabolism associated parameters measured by automatic analyzer. (1) The comparison of iron parameters between normal controls and judoists There were significant differences in several iron parameters between normal controls and judoists(P <.05). Especially, judoists indicated significantly lower levels in RBC count, hematocrit, iron, ferritin and transferrin levels compared with normal controls. (2) The distribution of the C to A polymorphism in the mtDNA The allele distribution of this polymorphism was 72% and 28% for C and A alleles, respectively. There were the same frequencies between normal controls and judoists, respectively. (3) The relationship between mtDNA polymorphism and serum iron parameters This polymorphism was significantly associated with serum iron level in our subjects(P <.05). Especially, the subjects with A allele(104.8 ± 36.7) indicated significantly higher serum iron level compared with those with C allele(87.9 ± 29.5). When our subjects were stratified by athletic status, this significance was maintained in only judoists(P <.05). In this case, the athletes with A allele(99.9 ± 29.3) indicated significantly higher serum iron level compared with those with C allele(77.9 ± 22.8). (4) The interaction effect on serum iron level In order to analyze the interaction effect between genetic and environmental effect on serum iron level, two-way ANOVA test were performed. Although significant interaction effect between two factors were not detected, mtDNA polymorphism(F = 6.062, P = 0.016) and athletic status(F = 4.716, P = 0.032) were independently associated with serum iron level(P < .05). Therefore, our results suggest that serum iron level may be independently influenced by mtDNA polymorphism and athletic status. Therefore, further studies to understand the precise mechanism behind these genetic and environmental influences will be needed.