Roles of Taste 1 Receptor 3 in Development of Diet-induced Obesity

Abstract

세계적으로 유병율이 증가하고 있는 비만은 관상동맥 심장질환과 당뇨, 지방간을 비롯한 여러 대사 질환을 야기할 수 있으므로, 그 원인 규명과 예방이 매우 중요하다. 고지방식이와 고설탕음료를 특징으로 하는 서구식 식이는 비만 유발에 관여하는 주요한 환경적 요인 중 하나이다. 그러나, 서구식 식이가 비만을 어떻게 유발하는 지에 대한 분자생물학적 기전은 아직 완전히 규명되지 않았다. 미각수용체가 혀 뿐 만 아니라, 다양한 체 내 기관에서도 발현된다는 것이 최근 알려졌다. 그러나, 맛을 감지하는 기관이 아닌 기관에서의 미각 수용체 수행 역할은 거의 밝혀지지 않았다. TAS1R3는 혀에서는 단맛과 감칠맛을 감지한다고 알려져 있으나, 다른 체내 기관에서의 비만과의 관련성은 연구된 바 없다. 본 연구에서는 미각수용체인 TAS1R3이 비만 발달에 미치는 영향을 알아보고자 하였다. 이를 위하여, TAS1R3 유전자 결핍마우스를 이용하여 서구식 식이로 비만 유발과정의 생리학적, 분자생물학적 변화를 정상마우스인 Wild type 마우스와 비교하였다. 8-12주령 사이의 Tas1r3-/- 마우스(KO)와 Tas1r3+/+(WT)에게 각각 정상식이(ND) 또는 서구식 식이 (WD; 60% 고지방 식이 + 30% 설탕음료)를 14 주간 공급하였다 (n=20-30/group). 14 주간의 몸무게 변화를 측정한 결과, 정상 식이를 제공받은 WT과 KO 사이에는 몸무게의 차이가 없었다. 예상한 바와 같이 WD를 공급받은 WT는 성공적으로 몸무게가 증가하였으나, WD를 공급받은 KO의 몸무게 증가량은 WT-WD 군에 비해 현저하게 적었다. 몸무게 증가량에 기인하는 체조직 구성성분을 분석해 본 결과, WT-WD 마우스는 체지방이 현저히 높았으며 (36.8%), 이에 비해 KO-WD 마우스는 유의적으로 체지방 비율이 낮았다 (22.7%). 또한 대사케이지에서의 대사율을 분석해 본 결과, WT-WD 마우스의 호흡교환율이 KO-WD에 비해 현저히 낮았다. 흥미롭게도 WT-WD와 KO-WD 사이에서는 칼로리 섭취량에는 차이가 없었으며, 또한 신체 활동량에도 차이를 보이지 않았다. KO와 WT사이의 비만도의 차이가 장에서의 에너지 흡수차이로 기인한 것인지 알아보기 위해, 장 조직의 전사체 분석을 실시하였다. PCA와 hierarchical clustering을 분석한 결과, 서구식 식이를 제공받은 WT과 KO 마우스들은 유전자 발현체에 뚜렷한 차이가 있었다. 특히, KO-WD 마우스는 CD36, SREBP, mTOR 등 지방 흡수와 대사 관련된 유전자 발현이 현저히 낮은 것을 확인하였다. 소장 세포의 GLP-2 수용체 발현을 분석한 결과, TAS1R3가 발현되지 않는 KO-WD 마우스에서는 현저히 낮게 발현되는 것을 확인 하였다 (2.7 RPKM vs. 3.6 RPKM). Gene in-teraction network 분석을 실시한 결과, KO-WD 마우스는 WT-WD 마우스에 비해 지방 흡수와 대사 관련된 mTOR, SREBP 등의 네트워크 활성이 저해된 것을 알 수 있었다. 실제 KO 마우스의 장에서의 지방 흡수가 저해됨을 알아보기 위해 변의 지질 농도를 분석한 결과, 서구식 식이를 먹은 KO 마우스는 WT 마우스에 비해 변에서 지질의 양이 매우 높았다. 이를 서구식 식이를 섭취한 양과의 관계를 분석한 결과, WT 마우스는 섭취한 지방량과 관계없이 일정한 지방을 변으로 내보내지만, KO 마우스는 지방을 많이 섭취할 수록 많이 배출하였다 (p=0.0364). 또한 올리브유를 oral gavage 한 후 소장에서 흡수를 측정한 결과, WT 마우스에 비해 KO 마우스의 소장 조직에서 지방이 혈액으로 이동 하지 않고 조직에 많이 남아 있었다. 본 실험은 서구식 식이로 유도되는 비만에서 TAS1R3가 하는 역할에 대해 제시한 첫 연구이며, 이 연구를 통해 서구식 식이의 섭취가 소장에서 비만 발달에 영향을 끼치는 분자 생물학적 기전을 최초로 제시하였다. 본 연구 결과는, 서구식 식이와 소장 TAS1R3의 새로운 관계를 바탕으로 비만의 예방과 치료의 새로운 방법을 제공할 것으로 예상된다.

Worldwide spread of obesity and its increasing prevalence have been the root of various metabolic diseases such as coronary heart disease, diabetes, and non-alcoholic fatty liver disease and investigation on its cause and prevention is important to public health. Western diet, characterized by high fat diet and sugar sweetened beverage, is one of the major environmental factors on obesi-ty development. However, the molecular mechanism of how western diet in-duces obesity is yet to be fully discovered. Recently, taste receptors, thought only to be expressed in the tongue, are reported to be expressed in extra-oral tissues. However, the role of taste receptors in extra-oral tissues, other than taste sensing, is not well studied. Taste 1 receptor 3 (TAS1R3) is known for sensing sweet and umami taste in the tongue, but the role in other tissues in obesity development is not discovered. In this research, the role of taste recep-tor TAS1R3 in obesity development was studied. In order to investigate the role of TAS1R3, knockout mice were used to compare physiological and mo-lecular changes in development of obesity to normal wildtype mice. 8-12 weeks old Tas1r3-/- (KO) and Tas1r3+/+(WT) mice were fed normal diet (ND) or western diet (WD; 60% fat diet + 30% sucrose water) for 14 weeks (n=20-30/group). During 14 weeks of diet induction, normal diet fed WT and KO mice had no body weight difference. As expected, the WD fed WT mice had dramatic body weight gain. However, WD fed KO mice had significantly low body weight gain compared to WT mice. Body composition analysis revealed that WT mice had high fat percentage (36.8%) while KO mice did not (22.7%). Metabolic analysis showed that KO-WD mice had unaffected respiratory ex-change ratio in contrast to WT-WD. Interestingly, WT and KO mice groups did not have different food intake and activity rate. To investigate the underly-ing cause of different obesity development in WT and KO mice, transcriptome analysis of intestinal tissues was carried out. PCA and hierarchical clustering analysis showed that WD fed WT and KO mice had significantly different transcriptome. Analysis on differentially expressed genes showed that the genes related to lipid absorption and metabolism (CD36, mTOR, SREBP) are down regulated in KO-WD mice. GLP-2 receptor expression in enterocyte were also down regulated in KO-WD mice (2.1 RPKM vs. 3.6 RPKM). Gene interaction network analysis revealed that KO mice had reduced gene networks related to lipid absorption and metabolism (mTOR and SREBP). Investigation into the actual lipid absorption in the intestines of WD fed WT and KO mice were different. KO-WD mice excreted more lipids in feces. Analysis with fat intake showed that WT-WD mice excreted steady level of lipids. However, KO-WD mice excreted more lipids with more fat intake (p=0.0364). Also, the intestinal lipid level after olive oil gavage showed that KO-WD mice had more unabsorbed residual lipids in the intestinal tissue. In conclusion, this study proposes new roles and molecular mechanism of TAS1R3 in development of western diet induced obesity.