The Role of SENP2 in Metabolism of Brown Adipose Tissue

Abstract

Brown adipose tissue (BAT) is a metabolically active endocrine organ. Activation of BAT contributes to increased energy expenditure through systemic glucose and lipid utilization. SENP2 is a post-translational protein modifier that is involved in regulation of metabolism in different tissues. How SENP2 may modulate BAT activity has not been elucidated yet. Here, I demonstrate that SENP2 is involved in effective adaptive thermogenesis by increasing the transcriptional activity of UCP1. BAT-specific Senp2 knockout (Senp2-BKO, Ucp1-Cre;Senp2f/f) mice showed normal adipogenesis and growth. These mice were, however, intolerant to acute cold exposure and were more insulin resistant in response to high fat diet than controls. Mechanistically, knockdown of Senp2 in brown adipocytes resulted in reduced levels of Ucp1 and Cidea through SUMOylation of PGC-1α and ERRα. Specifically, deSUMOylation of ERRα enhanced the synergistic effect of ERRα/PGC-1α complex. Collectively, these results suggest that SENP2 is intimately involved in modulating the activity of BAT through deSUMOylation of ERRα/PGC-1α complex, especially ERRα. Activation of BAT through SENP2 may be a potential therapeutic target in ameliorating metabolic stress.

갈색지방조직은 최근 대사적으로 주목받고 있는 내분비 기관이다. 갈색지방조직은 기존에 잘 알려진 비오한 열생산을 통한 체온 유지 외에도, 에너지 소모량을 증가시키고 여분의 에너지가 체내에 축적되는 것을 막아주는 등 대사적으로 좋은 역할을 하는 것으로 밝혀졌다. 최근 성인에서도 갈색지방조직의 존재가 확인됨에 따라, 갈색지방조직을 활성화시키기 위한 다양한 노력이 시도되고 있다. SENP2는 단백질 번역 후 변형에 관여하는 효소로 구체적으로는 SUMO를 제거해줌으로써 다양한 단백질의 활성 정도를 조절한다. SENP2가 기관에 따라 대사적으로 중요한 역할을 하는 것은 기존 연구를 통하여 많이 밝혀왔으나, 갈색지방조직에서의 대사적 역할에 대한 연구는 미비한 실정이다. 본 연구에서 Ucp1-Cre를 이용하여 갈색지방조직 특이적으로 Senp2 유전자를 제거하였으며(Senp2-BKO), 정상 대조군과(Senp2f/f) 비교하여 그 표현형을 관찰하였다. Senp2-BKO 마우스는 Senp2f/f 마우스와 비교하였을 때, 상온에서 일반 식이를 진행하였을 때 체중이나 혈당 등 대사적인 지표에서 차이를 보이지 않았으나, 고지방 함유식을 13주 이상 섭취할 경우 체중이나 지방량의 차이를 보이기 전에 인슐린 저항성이 나빠지는 결과를 보였다. 또한 일반 식이를 진행한 마우스에서도, 저온 노출 실험 진행 시 3시간 이후부터는 Senp2-BKO 마우스에서 비오한 열생산이 효율적으로 작용하지 못하여 중심부 체온 유지가 잘 되지 않는 점을 반복적으로 확인하였다. 저온 노출 실험을 진행한 쥐의 갈색지방조직 유전자 발현을 확인하였을 때, 대조군 마우스에서는 Ucp1, Cidea와 같은 열생산에 관여하는 유전자가 큰 폭으로 증가하였으나, Senp2-BKO 마우스의 경우 해당 유전자가 상온에서의 발현 정도 대비 적은 폭으로 증가하였기에, 이를 통해 SENP2가 갈색지방조직의 활성화에 기여한다는 점을 추론할 수 있었다. 분자생물학적인 기전을 확인하기 위하여 갈색지방세포주를 분화시켜 분화 단계 별 유전자 발현을 확인하였다. 갈색지방조직의 분화 마커로 사용되는 Fabp4의 경우 분화 2일차부터 증가하여 3-4일 차에는 분화가 완료된 세포에서와 비슷한 정도의 발현을 보였으나, Ucp1과 Cidea의 경우 분화 4일 차부터 증가하여 6일차에 발현이 최대치가 되었다. 이에 갈색지방세포 분화 4일차에 siRNA를 이용하여 유전자 발현을 저해하였으며, 분화 6일차에 유전자 발현을 확인한 결과 siSENP2를 처리한 세포에서 대조군 세포 대비 Fabp4 유전자 발현 정도는 같으며 Ucp1과 Cidea가 감소하는 것을 확인하였다. 이를 통해, 갈색지방세포 분화 4일 차에 siRNA를 이용하여 Senp2 발현을 억제할 시 Ucp1-Cre를 이용한 동물 모델에서와 마찬가지로 갈색지방조직의 분화에는 영향을 미치지 않으면서 열생산과 관련된 유전자의 발현 정도를 저해한다는 점을 확인할 수 있었다. 본 실험실에서는 기존에 SENP2가 ERRα와 PGC-1α를 통해 Cidea의 발현을 조절할 수 있다는 점을 확인한 바 있다. 금번 연구를 통해 Ucp1 프로모터 영역에도 ERRα이 결합할 수 있는 부위가 있는 것을 확인하였으며, COS-7 세포를 이용한 transient transfection 및 luciferase assay를 통하여, 마찬가지로 ERRα이 PGC-1α과 함께 결합하였을 때 Ucp1 활성이 극대화되는 것을 확인하였다. ERRα 전사인자에 SUMO를 결합시킬 경우 Ucp1을 활성화시키는 정도가 감소하였으며, 반대로 ERRα/PGC-1α 복합체에 SENP2를 넣어줄 경우 농도 의존적으로 Ucp1 활성이 증가됨을 알 수 있었다. ERRα에서 SUMO가 붙고 SENP2에 의해 작용하는 Lysine 14번과, PGC-1α에서 SENP2의 작용 위치로 알려진 Lysine 183번을 각각 Arginine으로 치환하였을 때, PGC-1α 돌연변이에 의해서는 Ucp1 활성이 유의미하게 변화하지 않았으나, ERRα 돌연변이에 의해서는 Ucp1 활성이 소폭 증가하는 것이 확인되었다. 이를 통해 SENP2가 ERRα의 Lysine 14번 자리를 탈수모화시키는 것이, 갈색지방조직에서 Ucp1 활성을 높게 유지하는데 중요한 기전임을 알 수 있었다. 추가적인 기전에 연구는 현재 진행 중이다. 이를 통해 SENP2는 갈색 지방 조직에서 대사적인 활성을 조절하는 중요한 효소임을 밝혀내었으며, 실험을 통해 그 기전을 일부 증명하였다. 추후 SENP2가 대사 질환의 치료에 있어서 갈색 지방 조직을 활성화시키는데 중요한 후보 물질로 활용되기를 기대하는 바이다.