Studies of Improved Metabolic Phenotype on Sema4D Knockout Mouse

Abstract

Semaphorin 4D is a group 4 Semaphorin that is related to B cell development and class switching. Effects of B cell differentiation in adipose tissue inflammation and glucose homeostasis have not been clearly understood. Obesity is known to induce B cell activation and pathogenic antibodies from activated B cells accelerate adipose tissue inflammation and insulin resistance. Here, we report that Semaphorin 4D deficiency improved glucose dysfunction in high-fat diet-induced obese mice. Inflammation was decreased in high-fat diet fed Semaphorin 4D knockout mice and the production of class switched immunoglobulin IgG2c was also reduced. Consistently, adipose tissue inflammation was also alleviated and the sizes of adipocytes and the masses of adipose tissues were reduced as well, which resulted in decreased body weight. These were confirmed by the decreased expression of genes related with lipid metabolism and adipogenesis and improved respiratory exchange ratio. In summary, these data indicate Semaphorin 4D as a crucial regulator in metabolic homeostasis and glucose metabolism via B cell development.

Semaphorin 4D (Sema4D, CD100)는 150kDa의 크기를 가진 semaphorin의 한 종류로써, B cell 반응을 조절하는 면역 semaphorin (immune semaphorin)의 한 종류로 알려져 있다. Sema4D는 특히 T cell 표면에서 많이 발현되는데, B cell 표면에 존재하는 Sema4D의 수용체인 CD72에 결합하여 B cell 표면에서 CD23을 제거함으로써 IgE나 IgG로의 면역 글로불린 종류 변환 (immunoglobulin class switching)을 유도한다. Sema4D는 면역 자극에 의해 그 발현이 증가하는데, 증가된 Sema4D가 B cell 반응을 촉진시킴으로써 면역 자극에 의한 체액 면역 반응(humoral immune response)을 유도하는데 있어 중요한 분자로 작용한다. 그렇기 때문에 Sema4D는 현재까지 류마티즘과 같은 자가면역 질환과 관련되어서 주로 연구가 진행되어 왔으며, 당뇨나 인슐린 저항성에 미치는 영향에 대해서는 보고된 바가 없다. 그러나, 아프리카 사람들 중 비만인 경우에 혈중 soluble Sema4D의 농도가 높다는 임상 결과가 밝혀졌으며, B cell 또한 비만에서 포도당 내성 (glucose tolerance)과 인슐린 민감도 (insulin sensitivity)에 영향을 미친다는 선행 연구들이 진행되었다. 이에 본 논문에서는 Sema4D가 비만인 경우에 B cell 반응을 통하여 포도당 항상성 (glucose homeostasis)을 조절할 것이라는 가설을 통해 비만 환경에서 Sema4D의 역할에 대해 연구를 진행하고자 하였다. 이에 따라 WT 마우스와 Sema4D KO 마우스를 이용하여 고지방식이 (high fat diet)를 먹었을 때의 Sema4D 발현 여부에 따른 대사, 생리적 변화와 염증 변화를 확인하였다. Sema4D KO 마우스는 고지방식이를 먹은 경우 WT 마우스에 비해 몸무게의 증가가 더디고, 지방의 무게 및 크기 또한 감소되어 있음을 확인하였다. 또한, 고지방식이에 의한 포도당 불내성과 인슐린 저항성 또한 개선됨을 확인하였다. 이에 따른 이유를 찾기 위해 C/ebp-α 등과 같이 지방 합성 (adipogenesis)을 유도하거나, Hsl 등과 같은 지방산 합성을 유도하는 지질 대사 (lipid metabolism) 관련 유전자들의 발현을 살펴보았을 때 고지방식이를 먹은 Sema4D KO 마우스에서 그 발현이 낮은 것을 확인하였다. Sema4D는 면역 자극에 의해 그 발현이 증가하는 것이 알려져 있는데, 고지방식이를 실시한 경우에도 비장에서 그 발현이 증가하는 것을 확인하였다. 또한, B cell에 국한적으로 발현되는 Sema4D의 수용체인 CD72가 Sema4D의 발현이 일어나는 비장에서 같이 발현이 되는 것을 확인하였기 때문에, 비장에서 Sema4D의 발현 유무 및 양적 차이에 따른 염증의 변화 여부를 확인하였다. 그 결과, 고지방식이를 먹은 Sema4D KO 마우스의 비장에서는 WT 마우스의 비장에 비해 염증이 줄어든 것을 확인하였으며, 이는 B cell의 분화가 더디기 때문인 것으로 확인하였다. 실제로 고지방식이를 먹은 Sema4D KO 마우스는 CD72에 의한 B cell 하위 signaling이 감소하였으며, 이에 따라 면역 글로불린 종류 변화가 일어난 면역 글로불린인 IgG2c의 생성량이 WT 마우스에 비해 적은 것을 확인하였다. 마지막으로 이러한 변화가 지방에 어떤 영향을 주는지 확인하기 위하여 지방에서의 염증을 확인하였다. 고지방식이를 먹은 Sema4D KO 마우스의 지방에서 WT 마우스에 비해 염증성 사이토카인의 양이 감소하였으며, 지방으로의 대식세포 유입 또한 감소함을 확인하였다. 그리고 지방에서 염증성이자 병원성으로 알려진 글로불린인 IgG2c의 양이 감소한 것을 확인하였다. 결과적으로, Sema4D KO 마우스는 고지방식이를 투여하였을 때, Sema4D에 의한 CD72 하위 B cell signaling이 감소하였고, 이로 인하여 B cell의 분화가 더디게 일어났다. 따라서, 전체적인 염증 반응이 감소하였고, 병원성 면역 글로불린의 생성 양 또한 감소하였다. 병원성 면역 글로불린인 IgG2c의 생성 감소로 인하여 지방에서의 IgG2c 양 또한 감소하였는데, 이에 따른 대식 세포의 유입 및 대식 작용이 감소하였다. 대식 작용은 염증을 증가시키고, 증가된 염증은 포도당 불내성과 인슐린 저항을 증가시키는데, 고지방식이를 한 Sema4D KO 마우스에서는 이러한 대식 작용이 WT 마우스에 비해 감소되어 있었다. 이로 인해 지방에서의 염증이 감소하였고, 포도당 불내성과 인슐린 저항성 및 지방과 체중 증가에 있어서 개선되는 효과를 나타내었다.