A Study on the Gene Expression of Adipogenic Regulators by an Herbal Composition

Haeyong Lee(이해용),Ryunhwa Kang(강련화),Sungmin Bae(배성민),Soo Ahn Chae(채수안),Jung Ju Lee(이정주),Dong-Jin Oh(오동진),Sukwon Park(박석원),Soo Hyun Cho(조수현),Yae Jie Shim(심예지),Yoosik Yoon(윤유식) 한국생명과학회 2010 생명과학회지 Vol.20 No.5

본 연구의 목적은 생약복합제제인 SH21B의 adipogenesis 억제 효능에 대한 상세한 분자적 메커니즘을 3T3-L1 지방세포를 이용하여 밝히는 데 있다. 실험에 사용된 SH21B는 7가지 생약성 천연물질인, 황금, 행인, 마황, 석창포, 포황, 원지 및 하엽으로 이루어졌다. 최근, 본 연구진에 의해 3T3-L1을 이용한 in vitro 연구와 마우스를 이용한 in vivo 연구에서 SH21B의 adipogenesis 억제효능이 밝혀진 바 있다. 본 연구에서는 3T3-L1 지방세포가 분화될 때 작용하는 다양한 지방세포형성 조절자들의 유전자 발현이 SH21B에 의해 어떻게 변하는지 살펴보고자 하였다. 실시간중합효소반응(real time PCR) 기술을 이용하여 SH21B를 처리한 지방세포와 그렇지 않은 지방세포를 비교한 결과, 최종마커인 ADIPOQ와 SLC2A4의 유전자 발현이 SH21B에 의해 급격하게 감소함을 알 수 있었다. 최종 마커의 발현을 유도하는 핵심전사인자인 PPARγ와 C/EBPα의 유전자 발현 역시 SH21B의 처리 시 유의하게 억제되었다. 좀 더 상세한 분자적 메커니즘을 규명하기 위해, 핵심전사인자의 상위에 위치한 다양한 조절자들의 유전자 발현을 분석하였다. 그 결과, 여러 지방세포형성 유도조절자 중, Krox20과 KLF15의 유전자 발현이 SH21B 처리에 의해 유의하게 감소된 반면, C/EBPβ와 KLF5의 유전자 발현은 SH21B 처리에 영향을 받지 않았다. 그리고 지방세포형성 억제조절자인 KLF2와 CHOP의 유전자 발현은 SH21B 처리에 의해 유의하게 증가되었다. 이러한 결과들은 SH21B의 지방세포형성 억제효능이 지방세포의 분화에 작용하는 다양한 상위조절자 중 지방세포형성 유도조절자인 Krox20과 KLF15 그리고 지방세포형성 억제조절자인 KLF2와 CHOP 등의 유전자 발현이 변화되면서 일어나는 복합적인 반응의 결과임을 제시한다. In our previous study, it was reported that an herbal mixture, SH21B, inhibits fat accumulation and adipogenesis both in vitro and in vivo models of obesity. SH21B is a mixture composed of seven herbs: Scutellaria baicalensis Georgi, Prunus armeniaca Maxim, Ephedra sinica Stapf, Acorus gramineus Soland, Typha orientalis Presl, Polygala tenuifolia Willd, and Nelumbo nucifera Gaertner (Ratio 3:3:3:3:3:2:2). The aim of this study was to investigate the detailed molecular mechanisms of the effects of SH21B on various regulators of the adipogenesis pathway. During the adipogenesis of 3T3-L1 cells, SH21B significantly decreased the expression levels of central transcription factors of adipogenesis, such as peroxisome proliferator-activated receptor (PPAR)γ and CCAAT/enhancer binding protein (C/EBP)α. To elucidate the detailed molecular mechanism of the anti-adipogenic effects of SH21B, we examined the expression levels of the various pro-adipogenic or anti-adipogenic regulators of adipogenesis upstream of PPARγ and C/EBPα. The mRNA levels of Krox20 and Kruppel-like factor (KLF) 15, which are pro-adipogenic regulators, were significantly down-regulated by SH21B treatment, whereas the mRNA levels of C/EBPβ and KLF5 were not changed. KLF2 and C/EBP homologous protein (CHOP), which are anti-adipogenic regulators, were significantly up-regulated by SH21B treatment. These results suggest that the molecular mechanism of the anti-adipogenic effect of SH21B involves both the down-regulations of pro-adipogenic regulators, such as Krox20 and KLF15, and the up-regulations of anti-adipogenic regulators, such as KLF2 and CHOP, which results in the suppression of central transcription factors of adipogenesis including PPARγ and C/EBPα.

생약복합물의 지방세포형성억제 기전규명을 위한 전사체 분석

Haeyong Lee(이해용),Ryunhwa Kang(강련화),Sungmin Bae(배성민),Soo Ahn Chae(채수안),Jung Ju Lee(이정주),Dong-Jin Oh(오동진),Sukwon Park(박석원),Soo Hyun Cho(조수현),Yae Jie Shim(심예지),Yoosik Yoon(윤유식) 한국생명과학회 2010 생명과학회지 Vol.20 No.7

생약복합물인 SH21B는 황금(Scutellaria baicalensis Georgi), 행인(Prunus armeniaca Maxim), 마황(Ephedra sinica Stapf), 석창포(Acorus gramineus Soland), 포황(Typha orientalis Presl), 원지(Polygala tenuifolia Willd), 하엽 (Nelumbo nucifera Gaertner)의 혼합(비율 3:3:3:3:3:2:2)으로 이루어졌다. SH21B는 예로부터 한의학에서 비만의 치료에 사용되어 왔으나 자세한 분자적 메커니즘과 효능에 대한 연구는 이루어지지 않았다. 본 연구진은 선행연구를 통해 SH21B가 지방세포의 분화에서 adipogenesis (지방세포형성)와 관련된 유전자를 조절하여 중성지방의 축적을 억제함을 밝혔다. 본 연구에서는, microarray 기술을 이용하여 adipogenesis의 in vitro 모델인, 3T3-L1 세포에서 SH21B에 의한 지방세포형성 억제의 분자적 기작을 보다 상세하게 연구하고자 하였다. 전지방세포, 분화된 세포 그리고 SH21B에 의해 분화가 억제된 세포의 각각의 유전자 발현을 분석하기 위해 각 시료들에서 total RNA를 분리하여 cDNA를 합성한 후 microarray에 적용시켰다. 그 결과, 각각의 시료들의 비교에서 2배 이상의 유의한 발현 변화를 가지는 2,568개의 유전자를 확보하였다. 이 유전자들에 대해 Hierarchical clustering과 K-means clustering 분석을 진행하였고 서로 다른 양상을 가지는 9개의 군집(cluster)들을 분류하였다. 그 중, SH21B의 첨가에 의해 뚜렷하게 감소(cluster 4, cluster 6 및 cluster 9)하거나 반대로 뚜렷하게 증가(cluster 7와 cluster 8)하는 양상을 보이는 군집들을 따로 선별하여 그 군집들에 포함되어 있는 유전자들을 분석하였다. 선택된 5개의 군집에는 지방세포형성과 세포증식에 관련된 유전자가 다수 포함되어 있었다. Cluster 4, cluster 6 그리고 cluster 9에는 peroxisome proliferator activated receptor gamma γ (PPARγ), CCAAT/enhancer binding protein α (C/EBPα), sterol regulatory element binding transcription factor 1 (SREBF1), adiponectin (ADIPOQ), fatty acid synthase (FASN), lipoprotein lipase (LPL) 등의 지방세포형성 유도 및 관련 인자와 B-cell leukemia/lymphoma6 (BCL6), retinoblastoma 1 (RB1), cyclin-dependent kinase inhibitor 2C (CDKN2c), ras homolog gene family, member B (RHOB) 등의 많은 세포증식 억제 유전자가 포함되었다. 이와는 반대로, cluster 7과 cluster 8에는 β-catenin, cyclin D1 (CCND1), WNT1 inducible signaling pathway protein 2 (WISP2) 등과 같은 지방 세포형성 억제 조절자와 MARCKS-like1 (MARCKSL1), colony stimulating factor 1 (CSF1), discoidin domain receptor family, member 2 (DDR2), leukemia inhibitory factor receptor (LIFR) 등의 세포증식을 유도하는 조절자가 다수 포함되었다. 결론적으로, 이러한 결과들은 SH21B가 지방세포형성과 관련된 조절자 및 세포증식과 관련된 조절자들의 유전자 발현을 조절하여 지방세포형성을 억제함을 제시한다. SH21B is a natural composition composed of seven herbs: Scutellaria baicalensis Georgi, Prunus armeniaca Maxim, Ephedra sinica Stapf, Acorus gramineus Soland, Typha orientalis Presl, Polygala tenuifolia Willd and Nelumbo nucifera Gaertner (Ratio 3:3:3:3:3:2:2). In our previous study, we reported that SH21B inhibited adipogenesis and fat accumulation in 3T3-L1 cells through modulation of various regulators in the adipogenesis pathway. The aim of this study was to analyze the transcriptome profiles for the anti-adipogenic effects of SH21B in 3T3-L1 cells. Total RNAs from SH21B-treated 3T3-L1 cells were reverse-transcribed into cDNAs and hybridized to Affymetrix Mouse Gene 1.0 ST array. From microarray analyses, we identified 2,568 genes of which expressions were changed more than two-fold by SH21B, and the clustering analyses of these genes resulted in 9 clusters. Three clusters among the 9 showed down-regulation by SH21B (cluster 4, cluster 6 and cluster 9), and two clusters showed up-regulation by SH21B (cluster 7 and cluster 8) during the adipogenesis of 3T3-L1 cells. It was found that many genes related to cell proliferation and adipogenesis were included in these clusters. Clusters 4, 6 and 9 included genes which were related with adipogenesis induction and cell cycle arrest. Clusters 7 and 8 included genes related to cell proliferation as well as adipogenesis inhibition. These results suggest that the mechanisms of the anti-adipogenic effects of SH21B may be the modulation of genes involved in cell proliferation and adipogenesis.

Shikonin에 의한 지방세포형성 억제과정에서의 유전자 발현 연구

이해용(Haeyong Lee),강련화(Ryunhwa Kang),정상인(Sang-In Chung),조수현(Soo Hyun Cho),오동진(Dong-Jin Oh),윤유식(Yoosik Yoon) 한국생명과학회 2009 생명과학회지 Vol.19 No.11

천연생약 자초의 한 성분인 shikonin은 항염증, 항암 및 항비만 등 다양한 분야에 효과를 보여왔다. 이번 연구에서는 shikonin이유도하는 adipogenesis억제 과정에 어떤 인자들이 작용하는지 살펴보았다. Shikonin의 효과에 대한 분자적 메커니즘을 규명하기 위해, real-time PCR을 이용하여 C/EBPs, PPARγ를 포함한 다양한 adipogenesis 인자들의 mRNA 발현량을 분석하였다. 그 결과, 초기 분화의 주요 조절자인 C/EBPβ와 C/EPBδ는 shikonin에 의해 거의 변화가 없었으나, 후기 분화의 주요 조절자인 PPARγ와 C/EPBα의 mRNA 발현은 유의하게 감소하였다. Shikonin에 의한 adipogenesis억제의 메커니즘을 좀 더 자세히 밝히기 위해 adipogenesis과정의 상위 단계에 위치한 조절자들의 mRNA 발현을 분석하였다. C/EBPβ의 상위 조절자인 C/EBPγ, CHOP은 shikonin에 의해 영향을 받지 않았으나, KROX20의 경우 유의하게 감소하였다. 이러한 결과는 Pro-adipogenic 인자인 KROX20의 감소가 C/EBPβ에 영향을 주기 보다는 C/EBPβ와 독립적으로 그 하위의 인자들에게 영향을 줄 수 있음을 제시한다. PPARγ의 상위 조절자로 알려져 있는 KLF 들 중에서 pro-adipogenic 인자인 KLF15의 mRNA 발현은 shikonin에 의해 급격히 감소하였으나 anti-adipogenic 인자인 KLF2는 shikonin에 의한 변화가 거의 없었다. 또 다른 pro-adipogenic 인자인 KLF5의 경우, 주로 작용하는 초기 분화에서는 shikonin에 의해 거의 변화가 없었지만, 후기 분화에서는 조금 증가하였다. 이러한 후기 분화에서의 KLF5의 변화는 KLF15에 비해 전체 분화에 크게 영향을 주지 못하는 것 같다. 결론적으로, shikonin은 pro-adipogenic 인자인, KROX20과 KLF15의 조절을 통해 PPARγ 및 C/EPBα의 mRNA 발현을 억제함으로써 지방 세포의 분화를 저해한다고 사료된다. Shikonin, a component of Lithospermum erythrorhizon Sieb. et Zucc, exerts various characteristics such as anti-inflammatory, anti-cancer and anti-obesity functions. To elucidate the molecular mechanism of shikonin-induced inhibition of adipogenesis, we analyzed the mRNA expression level of various adipogenesis-related factors including C/EBPs (CCAAT/enhancerbinding proteins) and PPARγ (peroxisome proliferator-activated receptor γ). The data showed that mRNA expressions of C/EBPβ and C/EPBδwere only slightly changed by shikonin treatment, but mRNA expressions of PPARγ and C/EPBα were significantly down-regulated. Then, we tested whether upstream regulators of C/EBPβ and PPARγ were involved in anti-adipogenesis of shikonin. C/EBPγ and CHOP (C/EBP homologous protein), which are upstream regulators of C/EBPβ, were not affected by shikonin treatment. On the contrary, the mRNA level of KROX20 was markedly down-regulated by shikonin treatment. These results suggest that KROX20 might regulate downstream factors of adipogenesis through C/EBPβ-independent pathway. The expression of KLF15 (Kruppel-like factor15), which is a member of KLF family and is a upstream regulator of PPARγ, was dramatically decreased by shikonin treatment, but KLF2 was not changed. Shikonin had no impact on the expression of KLF5 in the early stage of adipogenesis, but shikonin increased expression of KLF5 in the late stage of adipogenesis. Even though mRNA expression of KLF5 was moderately changed by shikonin treatment, its effect may be small compared with the effect of KLF15, which was markedly inhibited. Taken together, these results suggest that shikonin inhibits adipogenesis through the down-regulation of PPARγ and C/EPBα, which is mediated by the down-regulation of two pro-adipogenic factors, KROX20 and KLF15.

3T3-L1 세포에서 지방세포형성 유도조절자 및 억제조절자의 발현에 대한 platycodin D의 효과

이해용(Haeyong Lee),강련화(Ryunhwa Kang),조수현(Soo Hyun Cho),김성수(Sung Su Kim),김영식(Yeong Shik Kim),윤유식(Yoosik Yoon) 한국생명과학회 2009 생명과학회지 Vol.19 No.12

Platycodi radix의 주요 성분으로 항염증, 항고지혈 및 항종양 등 다양한 약리적 기능을 가지는 platycodin D는 최근 비만 및 지방세포형성(adipogenesis)을 억제하는 효과를 가진다고 보고되고 있다. 본 연구에서는 adipogenesis의 상위단계에 위치한 다양한 pro-adipogenic regulators와 anti-adipogenic regulators의 발현이 platycodin D에 의해 어떻게 변화되는지 분석하였다. Real-time PCR을 이용한 mRNA 발현의 정량적 분석에서 adipogenesis의 marker라 불리는 ADIPOQ와 GLUT4의 mRNA 발현은 platycodin D의 처리에 의해 유의적으로 감소되었다. 또한 terminal marker의 발현을 조절하는 PPARγ와 C/EPBα의 mRNA 발현 역시 platycodin D에 의해 유의하게 억제되었다. Platycodin D의 지방세포 억제 효과에 대한 상세한 분자적 메커니즘을 규명하기 위해, PPARγ와 C/EPBα의 상위 조절자들의 mRNA 발현 변화를 분석하였다. Pro-adipogenic regulators에 대한 platycodin D의 효과를 분석한 결과, C/EBPβ와 C/EPBδ의 mRNA 발현은 platycodin D에 의해 변화가 없었던 반면, KROX20과 KLF15의 mRNA 발현은 각각 초기 분화(2일)와 후기 분화(4일)에서 platycodin D에 의해 유의한 감소를 보였다. 또한, 대표적인 anti-adipogenic regulators인 CHOP의 mRNA 발현은 초기분화에서 platycodin D에 의해 유의하게 증가한 반면, 또 다른 anti-adipogenic regulators인 C/EBPγ의 mRNA 발현은 platycodin D에 의해 영향을 받지 않았다. 따라서 adipogenesis 과정에서 platycodin D는 pro-adipogenic regulators인 KROX20, KLF15와 anti-adipogenic regulator인 CHOP의 mRNA 발현에 영향을 주어 PPARγ와 C/EPBα를 조절하는 것으로 보여진다. 결론적으로, platycodin D에 의한 adipogenesis 억제 효과는 KROX20, KLF15 등의pro-adipogenic regulator와 CHOP 등의 anti-adipogenic regulator의 상호작용을 통해 나타나는 결과라 사료된다. Platycodin D, a major component of Platycodi radix, is known to have various activities including anti-inflammatory, anti-hyperlipidemic, anti-tumor activities and others. Recently, it was reported that platycodin D inhibits fat accumulation and adipogenesis. The aim of this study was to investigate whether various adipogenic regulators are modulated by platycodin D treatment during the adipogenesis of 3T3-L1 cells. mRNA levels of terminal markers of adipogenesis such as ADIPOQ (adiponectin) and GLUT (glucose transporter) 4, which were quantified by real time PCR, were decreased by platycodin D treatment. mRNA expression of PPAR (peroxisome proliferator-activated receptor) γ and C/EBP (CCAAT/enhaner binding protein) α, which are central transcription factors of adipogenesis, were also decreased by platycodin D treatment. To elucidate the detailed molecular mechanism of platycodin D-induced inhibition of adipogenesis, we analyzed mRNA expression of upstream regulators of PPARγ and C/EPBα. mRNA levels of the pro-adipogenic regulators, KROX20 and KLF (Kruppel-like factor) 15 were markedly down-regulated by platycodin D treatment. On the other hand, mRNA expression of CHOP (C/EBP homologous protein), an anti-adipogenic regulator, was significantly up-regulated by platycodin D treatment. mRNA levels of other pro-adipogenic regulators, C/EBPβ and C/EPBδ, were not affected by platycodin D treatment, and another anti-adipogenic regulator, C/EBPγ was also not affected by platycodin D treatment. Taken together, these results suggest that platycodin D-induced inhibition of adipogenesis is mediated by gene interactions including the down-regulation of pro-adipogenic regulators, KROX20 and KLF15, and the up-regulation of an anti-adipogenic regulator, CHOP.

3T3-L1 세포의 지방세포형성과정에서 Baicalin에 의한 유전자 발현 프로파일 분석

이해용(Haeyong Lee),강련화(Ryunhwa Kang),정상인(Sang-In Chung),조수현(Soo Hyun Cho),윤유식(Yoosik Yoon) 한국식품영양과학회 2010 한국식품영양과학회지 Vol.39 No.1

Flavonoid 계열의 한 종류인 baicalin은 항염증, 항암, 항바이러스, 항세균 등의 효능을 가진다. 본 연구진은 선행연구를 통한 이전의 보고에서 baiclain이 adipogenesis pathway(지방세포 형성 경로)의 anti-adipogenic(지방세포 형성억제)과 pro-adipogenic(지방세포 형성 유도) factor들을 조절함으로써 비만 및 adipogenesis를 억제함을 밝혔다. 본 연구에서는, microarray 기술을 이용하여 3T3-L1 세포에서 baiclain이 유도하는 지방세포 형성 억제 효과에 대한 분자적 기작을 보다 상세하게 연구하고자 하였다. 지방세포의 분화 시간(0일, 2일, 4일 및 7일)과 분화 시 baicalin의 처리유무에 따라 유전자 발현 양상을 분석하기 위해 해당 시료들을 microarray에 적용하였다. Microarray 결과로부터 2배 이상의 변화가 있는 3972개의 유전자를 확보하였다. 그 유전자들의 발현 양상을 좀 더 자세히 살펴보기 위해 hierarchical clustering 분석을 진행하였고 그 결과로 20개의 cluster를 분류할 수 있었다. 그들 중 4개의 cluster는 분화의 전반적인 기간에서 baicalin의 첨가에 의해 뚜렷하게 상승(cluster 8과 cluster 10)하거나 반대로 뚜렷하게 감소 (cluster 12와 cluster 14)하는 양상을 보였다. Cluster 8과 cluster 10에는 CHOP(CCAAT/enhancer-binding protein homologous protein), INSIG1(insulin induced gene 1), WISP2(WNT1 inducible signaling pathway protein 2), ADM(adrenomedullin), CCND2(cyclin D2), GRN(granulin) 및 TGFB3(transforming growth factor, beta 3)과 같은 세포 증식과 지방세포 형성 억제를 상승시키는 유전자들이 다수 포함되었다. 반대로 cluster 12와 cluster 14에는 세포 증식 억제, 세포 주기 억제 및 세포 성장 억제와 연관되거나 지방세포를 유도하는 유전자인 LTA(lympotoxin A), ACADSB(acyl-Coenzyme A dehydrogenase, short/branched chain), HMGCS2(3-hydroxy-3-methylglutaryl-Coenzyme A synthase 2), IGFBP7(insulin-like growth factor binding protein 7), MERTK(c-merproto-oncogene tyrosine kinase), RASSF2(ras association(RalGDS/AF-6) domain family 2), RHOU(ras homolog gene family, member U) 및 SESN1(sestrin1) 등이 포함되었다. 결론적으로 baicalin은 세포 증식 및 지방세포 형성과 연관된 유전자들을 조절함으로써 지방세포의 분화를 억제하는 것으로 사료된다. 이러한 결과는 baicalin이 유도하는 지방세포 형성 억제 및 비만 억제 효과의 분자적 기작에 대한 중요한 정보를 제시한다. Baicalin, a flavonoid, was shown to have diverse effects such as anti-inflammatory, anti-cancer, anti-viral, anti-bacterial and others. Recently, we found that the baicalin inhibits adipogenesis through the modulations of anti-adipogenic and pro-adipogenic factors of the adipogenesis pathway. In the present study, we further characterized the molecular mechanism of the anti-adipogenic effect of baicalin using microarray technology. Microarray analyses were conducted to analyze the gene expression profiles during the differentiation time course (0 day, 2 day, 4 day and 7 day) in 3T3-L1 cells with or without baicalin treatment. We identified a total of 3972 genes of which expressions were changed more than 2 fold. These 3972 genes were further analyzed using hierarchical clustering analysis, resulting in 20 clusters. Four clusters among 20 showed clearly up-regulated expression patterns (cluster 8 and cluster 10) or clearly down-regulated expression patterns (cluster 12 and cluster 14) by baicalin treatment for over-all differentiation period. The cluster 8 and cluster 10 included many genes which enhance cell proliferation or inhibit adipogenesis. On the other hand, the cluster 12 and cluster 14 included many genes which are related with proliferation inhibition, cell cycle arrest, cell growth suppression or adipogenesis induction. In conclusion, these data provide detailed information on the molecular mechanism of baicalin-induced inhibition of adipogenesis.