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단기간 트레드밀 운동을 통한 in vivo 미토파지 실험모델 검증
김동현 ( Donghyun Kim ),소병훈 ( Byunghun So ),박진한 ( Jinhan Park ),강청훈 ( Chounghun Kang ) 한국체육학회 2021 한국체육학회지 Vol.60 No.4
미토콘드리아는 에너지공급 및 다양한 신호전달을 통해 세포의 항상성에 관여한다. 미토콘드리아의 손상은 만성질환과 밀접하게 관련되어 있으며, 질병 치료 및 예방목적으로 활발하게 연구되고 있다. 미토파지(mitophagy)는 손상된 미토콘드리아를 선택적으로 제거하여 세포기능의 유지 및 개선에 중요한 역할을 담당하는 세포 작용이다. 규칙적인 운동은 손상된 미토콘드리아를 제거하여 미토콘드리아 질적 조절을 통해 생리적 대사 및 기능을 제어하는 것으로 알려져 있다. 지금까지 미토파지 평가에 대한 연구방법은 많이 발전되어 왔지만, 미토파지 관련 현상의 in vivo 검증은 부족하다. 따라서 본 연구는 1주간의 마우스 트레드밀 운동이 골격근의 선택적 미토콘드리아 제거 신호에 미치는 영향을 mt-Kiema 마우스를 통해 분석하였다. 그 결과, 운동(EX)군이 대조(CON)군에 비해 더 높은 미토파지(red 형광) 수준을 나타냈으며, 이는 미토파지-관련 단백질 발현 결과와 유사성을 보였다. 본 연구는 in vivo 미토파지 평가 모델을 통해 미토콘드리아 질적조절에 대한 운동중재 효과를 보다 정확하게 검증할 수 있는 방법으로, 향후 본 연구모델의 활용가치가 높을 것으로 사료된다. Mitochondria are intracellular organelles, involve in regulating cellular homeostasis through various signaling pathways. Damaged mitochondria are closely related to chronic diseases, and have been actively studied for the patho-physiologic conditions. Mitophagy is a cellular mechanism of action that plays an important role in maintaining and improving cellular functions by selectively removing damaged mitochondria and exercise regimen is known to regulate mitochondrial quality control including the process of mitophagy. In this study, the effect of treadmill exercise for 1 week on the in vivo mitophagy of skeletal muscle was analyzed using mt-keima transgenic mice. As a result, the higher red fluorescence (pH 4.0; excitation: 561nm, emission range: 570-695nm) ratio was observed on confocal microscopy in the exercise (EX) group vs. the control (CON) group. These results were also consistent with the data that observed protein levels which are known to be induced during mitophagy. Therefore, the effect of exercise intervention on mitochondrial quality control can be more accurately verified through validation using the in vivo mitophagy evaluation model, mt-Kiema mice.
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트레드밀 운동이 알츠하이머 질환의 미토콘드리아 항상성 기전에 미치는 영향
최동훈,조준용,권기천,엄현섭,오은택 국민체육진흥공단 한국스포츠정책과학원 2020 체육과학연구 Vol.31 No.4
[Purpose] The aim of this study was to investigate the effects of treadmill exercise on mitochondrial quality control in the APP/sw transgenic mice model of Alzheimer's disease(AD). [Methods] The experimental mice were divided into non-tg-control (NTC, n=10), tg-control (TC, n=10), and tg-exercise (TE, n=10), and treadmill exercise was conducted for 12 weeks (15m/min, 60min, 5 times/week). And then, we measured the cognitive function using MWM and the brain cortex was evaluated to determine whether any changes in the oligomer Aβ, apoptotic-related factors, mitophagy and mitochondrial biogenesis. [Results] As a result, treadmill exercise significantly reduced oligomer amyloid and also had a positive effect on proteins (PUMA, Bax, Bcl-2) associated with apoptosis. In addition, through the treadmill exercise, PINK-1 decreased, and increased parkin, showing that active inhibition of mitophagy has been partially relaxed. It has been confirmed that the key autophagy markers LC3 and p62 significantly reduce p62 expression in TE group compared to TC group, and that LC3-II/LC3-I ratio tended to decrease, although not significant, increasing the activity of mitophagy. Next, proteins related to mitochondrial biosynthesis (SIRT-1, PGC-1α, Tfam, and COX-IV) have been identified, and the treadmill exercise has confirmed that the expression of all proteins has increased in part. Finally, cognitive has been shown to improve cognitive by shortening both swimming distance and time through treadmill exercise. [Conclusions] Thus, our finding suggested treadmill exercise alleviates cognitive dysfunction by improving mitochondrial quality control(mitophagy, mitochondrial biogenesis) and neuronal cell death via reducing amyloid accumulation, which may play a role in a preventive strategy for AD. [목적] 본 연구는 알츠하이머(alzheimer's disease: AD) 형질전환 생쥐를 대상으로 12주간의 트레드밀 운동이 미토콘드리아 항상성 기전에 미치는 영향을 확인하기 위해 미토파지와 미토콘드리아 생합성 관련 단백질을 분석하여 이를 통해 Aβ 감소와 인지기능이 개선되는지 확인하는데 있다. [방법] 실험동물은 non-tg-control(NTC, n=10), tg-control(TC, n=10) 및 tg-exercise(TE, n=10)으로 구분하고, 트레드밀 운동은 12주간 실행하였다(15m/min, 60min, 5 times/week). 운동 후 인지기능 능력을 확인하기 위해 수중미로검사를 실시하고, AD의 병리학적 특징인 아밀로이드 단백질, 신경세포사멸 및 미토콘드리아 항상성 기전(미토파지, 미토콘드리아 생합성)에 관련된 단백질들을 western blot과 immunohistochemistry를 통해 확인하였다. [결과] 그 결과, 트레드밀 운동은 올리고머 아밀로이드를 유의하게 감소시켰고, 세포사멸과 관련된 단백질(PUMA, Bax, Bcl-2)에도 긍정적인 효과를 나타냈다. 또한, 트레드밀 운동을 통해 PINK-1은 감소하고, parkin을 증가시켜 미토파지의 활성 억제가 일부 완화된 것으로 나타났다. 오토파지 핵심 마커인 LC3와 p62는 TC 집단에 비해 TE 집단에서 p62 발현을 유의하게 감소시키고, LC3-II/LC3-I ratio은 유의하지는 않지만 감소하는 경향이 나타나 미토파지의 활성을 증가시킨 것으로 확인되었다. 미토콘드리아 생합성과 관련된 단백질(SIRT-1, PGC-1α, Tfam 및 COX-IV)을 확인한 결과 트레드밀 운동을 통해 모든 단백질들의 발현이 일부 증가되는 것을 확인하였다. 마지막으로, 인지능력은 트레드밀 운동을 통해 수영 거리와 시간 모두 단축시켜 인지능력이 향상된 것으로 나타났다. [결론] 따라서 트레드밀 운동은 AD의 병리학적 특징인 아밀로이드 단백질의 수준을 감소시키고 미토파지의 활성과 미토콘드리아 기능향상을 유도하여 결과적으로 인지기능의 개선을 유도할 수 있는 효과적인 방법이라고 생각된다.
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