Effects of branched-chain amino acid supplementation in dams fed a low-protein diet on muscle growth and mitochondrial oxidative capacity in obese offspring

Abstract

태아 발달기간 동안의 어미의 저단백식이 섭취는 자손의 성장 및 성인기 대사성 발병 위험에 영향을 준다고 알려져 있다. 분지아미노산 (branched-chain amino acid, BCAA) 중 특히 류신은 mTOR 신호전달기전을 활성화시켜 단백질 합성을 촉진하는 역할을 한다. 어미가 저단백식이를 섭취하였을 때 주요하게 관찰되는 변화는 혈중 분지아미노산 (branched-chain amino acid, BCAA) 농도의 감소와 이로 인한 태반 및 유선발달의 저해이며 결과적으로 자손에게 전달되는 영양소가 감소된다. 이는 저단백식이를 섭취한 어미에게 BCAA를 보충하는 것이 자손의 성장 저해를 회복시킬 수 있음을 보여준다. 이러한 성장 회복은 근섬유 발달 변화를 통해 근육의 산화 능력에 영향을 줄 수 있으며 결과적으로 고지방식이에 대한 대응력을 변화시킬 수 있다. 따라서 본 연구에서는 저단백식이를 섭취한 어미에게 BCAA를 보충하는 것이 고지방식이를 섭취한 자손의 근육 성장과 산화 능력에 어떤 영향을 미치는지를 확인하고자 하였다. 암컷 ICR mice에게 임신 전 2주와 임신기 및 수유기 동안 정상단백질 식이 (20% casein), 저단백식이 (10% casein), 저단백식이에 2% BCAA를 보충한 식이 또는 2% alanine (Ala)을 보충한 식이를 공급하였다. 이때 Ala군은 BCAA 공급 군의 질소 대조군으로 사용되었다. 수컷 마우스는 이유 후부터 분석 시점 (postnatal day 175)까지 고지방 식이 (45% kcal from fat)를 공급받았으며 자손의 혈액, 비장근 (Gastrocnemius muscle) 및 넙치근 (Soleus muscle)을 분석에 사용하였다. 비장근의 무게는 NP군 대비 LP군에서 대비 유의적으로 감소하였으며 BCAA와 Ala 보충에 의해 증가하였다. 근육의 위성세포 지표인 PAX7의 유전자 발현 역시 유사한 경향으로 변화함을 확인하였다. 또한 LP군에서 유의적으로 감소한 리보솜 생합성의 지표인 S6 단백질 발현이 BCAA와 Ala 보충군에서 유의적으로 증가함이 확인되었다. 자손의 전신 인슐린 저항성은 NP군 대비 LP군에서 유의적으로 감소하였으며 BCAA 보충에 의한 변화는 관찰되지 않았다. 관찰된 인슐린 저항성의 변화와 관련하여 근육의 미토콘드리아 산화 능력을 알아보기 위해 관련 유전자의 발현을 측정하였으나 모든 지표에서 유의적인 차이가 관찰되지 않았다. 결론적으로, 어미에게 BCAA를 보충하는 것이 저단백식이 섭취로 인한 자손의 근육 성장저해에 긍정적인 영향을 미치는 것을 확인하였다. 그러나 이는 Ala 보충군에서도 관찰된 변화로 BCAA 특이적인 효과가 아닌 아미노산 보충에 의한 질소 증가로 인한 효과라고 사료된다. 또한 어미의 저단백식이 섭취로 인해 자손의 전신 인슐린 저항성이 감소하였으나 근육의 산화 능력과 관련한 변화는 관찰되지 않았다. 이는 근육이 아닌 다른 조직에서의 대사 변화가 인슐린 저항성의 변화를 야기했음을 시사한다.

Maternal low protein (LP) diet has been reported to have a negative impact on the onset of metabolic diseases in adulthood, which is related to growth retardation during fetal development. Branched-chain amino acids (BCAA), especially leucine, activates mechanistic target of rapamycin pathway that stimulate protein synthesis, and it is known that the circulating level of BCAA is reduced in the dams fed an LP diet. It suggests that maternal BCAA supplementation could relieve the growth retardation and this restoration could affect muscle oxidative capacity through alterations of muscle fiber distribution, and finally cause changes in response to high-fat diet. To test, female ICR mice were fed a normal protein (NP, 20% casein), low protein (LP, 10% casein), LP with 2% BCAA or 2% alanine (Ala) diet two weeks prior to mating and throughout gestation and lactation. Male offspring were challenged with high fat (45% kcal from fat) diet after weaning to 25 weeks of age. Gastrocnemius muscle weight and Pax7 mRNA expression level, a satellite cell marker, were decreased by maternal LP feeding, but were reversed by BCAA and Ala supplementation. Furthermore, maternal LP consumption reduced total ribosomal protein S6 level, a marker of ribosome biogenesis, which was increased in the LP+BCAA and LP+Ala groups. However, the markers related to the high-fat diet induced atrophy, such as ER stress, were not changed by maternal LP diet. HOMA-IR, an index of systemic insulin resistance, was significantly lower in the LP group compared with the NP group, but the effect of maternal BCAA supplementation was not observed. Moreover, there were no changes in the mitochondrial oxidative capacity of gastrocnemius and soleus muscle. In conclusion, maternal BCAA supplementation has protective effects on the damaged muscle growth and these effects were mediated by increasing satellite cell number and ribosome biogenesis. However, the specific effect of BCAA on muscle growth was not observed.