연구배경 : 제2형 당뇨병(T2DM)의 발병률은 해마다 증가하고 있으며 인류 건강에 큰 위협이 되고 있다. 제2형 당뇨병(T2DM) 발병 시 골대사가 비정상적으로 작동하고 골다공증 발생 위험이 높아진다. 그러나 구체적인 분자 메커니즘이 아직 밝혀지지 않았다. 마이오스타틴(myostatin, Mstn)는 전환성장인자 TGF-베타그룹(TGF-β family)에 속한 단백질로 골격근의 발생과 성장을 억제하는 분비형 단백질이다. Mstn는 근육의 이화작용을 시킬 수 있을 뿐만 아니라 골대사를 조절하는 역할도 하고 있는 것으로 나타났다.따라서 Mstn는 T2DM 골다공증의 발생과 관련될 수 있다고 추측할 수 있다. 본 연구에서는 Mstn 유전자 녹아웃 마우스를 연구 대상으로 고지방식이와 저용량 스트렙토조토신으로 유도된 제2형 당뇨병(T2DM) 동물 모델을 이용하여 Mstn는 T2DM 골대사에 미치는 영향 및 분자 메커니즘을 탐구하고 당뇨병 골다공증의 치료에 새로운 방향과 대안을 모색한다.
연구목적 : Myostatin(MSTN) 유전자 제거 제2형 당뇨병(type 2 diabetic mellitus, T2DM) 생쥐의 골 대사 및 골 미세구조에 미치는 영향과 메커니즘을 탐구한다.연구방법 : 수컷 생쥐 야생형(WT) 12마리, 이형 접합형(Mstn+/-) 12마리, 동형 접합형(Mstn-/-) 12마리를 각각 2개의 그룹 한 그룹당 6마리로 나누어, WT그룹, Mstn+/-그룹, Mstn-/-그룹, WT+DM그룹, Mstn+/-+DM그룹, Mstn-/-+DM그룹으로 분류한다. 앞에 3개의 그룹에게 일반 식단을 제공하고 뒤에 3개의 그룹에게 고지방 식이와 저용량 스트렙토조토신을 급여하여 T2DM 모델을 구축한다.생쥐 모델 6개 그룹을 만든 뒤 ELISA방법으로 혈청 P1NP(type I procollagen N-terminal propeptide, 골형성표지자), CTX(type I collagencross-linked C-telopeptide, 골흡수표지자) 수치를 측정하고, 마이크로-CT를 이용하여 왼쪽 경골의 골밀도(bone mineral density, BMD), 골 부피분율(bone volume/total volume, BV/TV), 골소주 개수(trabecular number, Tb.N), 골소주 두께(trabecular thickness, Tb.Th), 골소주 가격(trabecular separation, Tb.Sp), 구조적 모델 지수(structure model index, SMI)를 분석한다. 그리고, 알칼리성 인산분해효소(alkaline phosphatase, ALP) ATPase 염색법으로 골조직 조골세포의 활성도를 확인하고, 타르타르산염 저항성 인산분해효소 (tartrate resistant acid phosphatase, TRAP) 염색법으로 골조직 파골세포의 활성도를 확인한다. 또한, 면역조직화학법을 통해 골조직 Wnt, 글리코겐 합성효소 키나아제 3β(glycogen synthase kinase-3β, GSK-3β), 베타 카테닌(β-catenin)의 발현을 측정한다.연구결과 : WT그룹과 비교하면 WT+DM그룹의 혈청 PINP, CTX 수치, Tb.Sp, SMI 및 골조직 중의 조골세포와 파골세포의 활성, 그리고 GSK-3β의 발현은 모두 증가하고, BMD, BV/TV, Tb.N, Tb.Th 및 골조직 Wnt, β-catenin의 발현은 모두 감소한 것으로 나타났다.
WT그룹, Mstn+/-그룹과 비교하면 Mstn-/-그룹의 BMD, BV/TV, Tb.N, Tb.Th 및 골조직 Wnt, β-catenin의 발현은 모두 증가하고, 혈청 PINP, CTX 수치, Tb.Sp, SMI 및 골조직 중의 조골세포와 파골세포의 활성, GSK-3β의 발현은 모두 감소한 것으로 나타났다.
WT+DM그룹, Mstn+/-+DM그룹과 비교하면 Mstn-/-+DM그룹의 BMD, BV/TV, Tb.N, Tb.Th 및 골조직 Wnt, β-catenin의 발현은 모두 증가하고, 혈청 PINP, CTX 수치, Tb.Sp, SMI 및 골조직 중의 조골세포와 파골세포의 활성, GSK-3β의 발현은 모두 감소했다.
1. WT+DM그룹, Mstn+/-+DM그룹, Mstn-/-+DM그룹의 혈청 PINP, CTX수치는 각각 WT그룹, Mstn+/-그룹, Mstn-/-그룹보다 높은 것으로 확인됐다(P<0.05). WT그룹, Mstn+/-그룹, Mstn-/-그룹의 혈청 PINP, CTX 수치는 순차적으로 감소하고 (P<0.05), WT+DM 그룹, Mstn+/-+DM그룹, Mstn-/-+DM그룹의 혈청 PINP, CTX 수치는 순차적으로 감소한 것으로 나타났다(P<0.05).
2. WT그룹, Mstn+/-그룹, Mstn-/-그룹은 골소주의 연속성, 구조가 완전하고 골피질이 매끄러우며, 그 중에 Mstn-/-그룹의 골소주 개수가 현저히 증가했다. WT+DM그룹, Mstn+/-+DM그룹은 골소주 개수가 감소하고 골소주가 파열되며 골피질의 가장자리가 거친 반면 Mstn-/-+DM그룹은 골소주 개수가 현저히 증가하고, 연속성도 확실히 많이 개선되었다.
3. 알칼리성 인산분해효소(ALP) ATPase 염색 결과에 따르면 WT+DM그룹, Mstn+/-+DM그룹, Mstn-/-+DM그룹은 WT그룹, Mstn+/-그룹, Mstn-/-그룹보다 세포질 내에 흑갈색의 침전물이 더 많은 것으로 나타났다. WT그룹, Mstn+/-그룹, Mstn-/-그룹은 세포질 내에 흑갈색의 침전물이 순차적으로 감소하고, WT+DM그룹, Mstn+/-+DM그룹, Mstn-/-+DM그룹은 세포질 내에 흑갈색의 침전물이 순차적으로 감소했다.
4. 타르타르산염 저항성 인산분해효소(TRAP) 염색 결과에 따르면 WT+DM그룹, Mstn+/-+DM그룹, Mstn-/-+DM그룹은 WT그룹, Mstn+/-그룹, Mstn-/-그룹보다 세포질 내에 자홍색의 침전물이 더 많은 것으로 나타났다. WT그룹, Mstn+/-그룹, Mstn-/-그룹은 세포질 내에 자홍색의 침전물이 순차적으로 감소하고, WT+DM그룹, Mstn+/-+DM그룹, Mstn-/-+DM그룹은 세포질 내에 자홍색의 침전물이 순차적으로 감소했다. 그러나 마이오스타틴 (Mstn) 녹아웃 후 파골세포의 활성은 조골세포의 활성보다 변화가 뚜렷하게 진행된다는 것을 보여주었다.
5. WT+DM그룹, Mstn+/-+DM그룹, Mstn-/-+DM그룹의 골조직 Wnt, β-catenin 발현은 각각 WT그룹, Mstn+/-그룹, Mstn-/-그룹보다 낮고(P<0.05), GSK-3β 발현은 각각 WT그룹, Mstn+/-그룹 , Mstn-/-그룹 보다 높은 것으로 나타났다 (P<0.05). Mstn-/-그룹의 골조직 Wnt, β-catenin 발현은 WT그룹, Mstn+/-그룹보다 높고, GSK-3β 발현은 WT그룹, Mstn+/-그룹 보다 낮다 (P<0.05). Mstn-/-+DM그룹의 골조직 Wnt, β-catenin 발현은 WT+DM그룹, Mstn+/-+DM그룹보다 높고 (P<0.05), GSK-3β 발현은 WT+DM그룹, Mstn+/-+DM그룹보다 낮은 것으로 나타났다 (P<0.05). WT그룹과 Mstn+/-그룹, WT+DM그룹과 Mstn+/-+DM그룹의 골조직 Wnt, GSK-3β, β-catenin 발현 관련 비교 및 차이는 통계학적으로 의미가 없다 (P<0.05).
결론 : 1. 마이오스타틴(Mstn) 유전자의 발현을 억제하면 제2형 당뇨병(T2DM)으로 인한 골흡수를 억제하고, 골형성을 촉진시키는 효과를 볼 수 있다. 그 중에 과도한 골흡수를 억제하는 것을 주요 기능으로 하고, 변화 정도는 또한 마이오스타틴(Mstn) 발현량과 관련이 있는 것으로 밝혔다.
2. 제2형 당뇨병(T2DM) 생쥐의 마이오스타틴(Mstn) 유전자 발현을 억제하면 골 미세구조를 개선하고 골강도를 증가시킬 수 있으며 변화 정도는 또한 마이오스타틴(Mstn) 발현량과 관련되어 있다.
3. 제2형 당뇨병(T2DM) 생쥐에게 마이오스타틴(Mstn) 유전자 발현을 억제하면 골조직 Wnt/β-catenin 신호 전달 경로를 상향 조절할 수 있다. 또한, 변화 정도는 마이오스타틴 (Mstn) 발현량과 관련이 있는 것으로 나타났다.