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1 대한내분비학회지 : 제 24 권제 2 호 /jkes 지상강좌 인슐린저항성의치료전략 한국마우스대사질환특화센타, 이길여암당뇨연구원, 가천의과학대학교 최철수 Potential Therapeutic Strategies for Fat Induced Insulin Resistance Cheol Soo Choi 1) Korea Mouse Metabolic Phenotyping Center, Lee Gil Ya Cancer and Diabetes Institute, Gachon University of Medicine and Science Mechanism of Fat Induced Insulin Resistance 1. 인슐린저항성 (Insulin Resistance) 이란? 제2형당뇨병뿐만아니라대사증후군발생의핵심인자로생각되고있는인슐린저항성은생리적인슐린농도에서인슐린의작용 ( 인슐린감수성 : Insulin sensitivity) 이저하된대사상태로정의할수있다. 많은인슐린작용중당질및지질대사에대한작용이감소된상태가대사성질환의발병과깊은연관성을나타내어이를일반적으로인슐린저항성이라정의한다. 좀더구체적으로인슐린은근육으로포도당섭취를촉진하거나간에서포도당생성을억제함으로혈당을조절하는데인슐린이부족하지않은상태에서이러한인슐린작용이감소된상태를의미한다 [1~3]. 제2형당뇨병은고혈당을공통적요소로보이지만많은다양한원인에의한 질환군으로인슐린저항성은제2형당뇨병환자의대부분에서특징적이고공통적으로관찰되며 [1~3], 제2형당뇨병환자의당뇨병이발병하지않은자식에서이미인슐린저항성을보이는경우가있고 [4], 전향적연구에서인슐린저항성이제2형당뇨병발생의가장강력한예측인자이며 [5], 인슐린저항성을호전시킴으로당뇨병발병을예방할수있다는연구결과 [6] 를근거로제2형당뇨병의대부분을차지하는비만및고지방식이관련당뇨병에서는일반적으로인슐린저항성이선행하는일차적인원인으로생각되고있다 (Fig. 1). 2. 당질대사에있어서인슐린작용 (Fig. 2) (Insulin Actions on Glucose Metabolism) 공복상태에서체내포도당 (~2 mg/kg/min) 의약 50% 는 Fig. 1. Natural history of type 2 diabetes associated with obesity. * 본연구는보건복지가족부보건의료기술진흥사업의지원에의하여이루어진것임 (A084651)

2 대한내분비학회지 : 제 24 권제 2 호 2009 Fig. 2. Insulin actions on glucose metabolism. 뇌에서이용되는데, 이를위해혈당은주로간에저장된당원 (Glycogen) 이분해 (Glycogenolysis) 되거나포도당신생 (Gluconeogenesis) 과정에의해생성된포도당 (Hepatic glucose output, HGO) 에의해유지된다 [1~3]. 한편음식물을섭취하면소화관에서음식물로부터포도당이흡수되어췌장 β세포에서인슐린분비를자극하고, 분비된인슐린은근육으로포도당의흡수 (muscle glucose uptake) 를촉진한다. 또한인슐린은간의포도당흡수에도일부관여하지만주로간의포도당생성 (HGO) 을억제한다. 따라서인슐린은간에서포도당생성를억제하고근육을포함한말초조직으로포도당흡수를촉진하여혈중포도당농도를낮춘다. 간과근육으로흡수된포도당의대부분은당원으로저장되거나해당작용 (Glycolysis) 을거쳐대사된다 [7]. 말초조직의세포내포도당흡수의 rate limiting step은 GLUT4에의한세포내포도당유입과정이며이과정은인슐린신호전달계에의해주로조절된다 [8]. 인슐린수용체 (Insulin receptor) 에인슐린이결합한후 docking protein인 insulin receptor substrate 1, 2 (IRS1, IRS2) 의 tyrosine phosphorylation이증가하고, 이어서인산화된 IRSs에 SH2 domain을가지는단백질 (PI3K, Grb2, SHP2 등 ) 이결합하여활성화된다 [9]. 근육에서는 PI3K에의해활성화된 Akt와 apkcs에의해 GLUT4가 cytoplasmic pool에서 plasma membrane으로이동하여인슐린자극에의한포도당유입을매개하고, 간에서는 PI3K에의해활성화된 Akt에의해당원분해와포도당신생을억제하여포도당의생성을억제하는것으로알려져있다 [9]. 대표적인인슐린감수성조직으로는근육, 간및지방조직인데, 인슐린작용에의한포도당대사는정량적인면에서주로근육및간에서일어난다 [1]. 따라서근육과간의포도당대사의직접적인변화없이는전신의포도당대사에서정량적으로영향을주기는어려우므로근육및간의인슐린저항성이전신의인슐린저항성을정량적으로결정하는직접적인인자라할수있다. 3. 조직의지방축적과인슐린저항성최근제2형당뇨병및대사증후군발병의폭발적인증가는에너지소모에비해에너지섭취증가에따른비만과밀접한관련이있다. 그러나비만과전혀다른대사형질 (phenotype) 을보이는 lipodystrophy 환자및마우스모델에서에너지를지방으로축적할수있는지방조직의절대적감소로섭취된에너지가포도당대사에정량적으로중요한역할을하는간과근육에저장됨으로써더욱심한인슐린저항성이나타난다고보고되었다 [3,10]. 그러나지방조직을이식한 lipodystrophy 마우스모델연구 [11] 와식이조절에의해식사량을감소시킨비만환자연구에서간과근육의지방축적이감소되었고, 더불어인슐린저항성이현저히호전되었다 [12]. 또한근육과간에특이적인지단백질분해효소 (lipoprotein lipase, LPL) 과발현마우스에서이들장기에선택적으로지방축적과인슐린저항성이나타났으며 [13], 근육특이적인 LPL knock-out (KO) 마우스에서는근육의지방축적을예방하여인슐린저항성을현저히호전시켰다 [14]. 이러한결과는비만에의한인슐린저항성의발생은전신비만보다는포도당대사에중요한근육과간의지방축적이직접적인원인임을시사한다. 또한핵자기공명분광기법으로근육에축적된지방중세포내와세포외의지방을정량적으로측정하면세포내지방축적이인슐린저항성과가장밀접한관계를나타낸다 [15]. 세포내지방축적은지방산섭취 ( 유입 ), 합성의증가및지방산산화의감소에의해결정될수있으나, 지방축적에대한이들세가지요인의중요도는생리적조건과조직마다다른영향을나타내는데, 예를들어전신비만및 lipodystrophy 환자에서는간과근육에지방유입및합성의증가에의해서지방축적이증가한다면 [12], 비만하지않은노인및인슐린저항성환자에서는미토콘드리아에서지방산산화의감소가지방축적의주된원인일가능성이제시되었다 [16,17]. 근육및간에축적된지방중대부분을차지하는중성지방은화학적으로비활성형태를취하고또중성지방합성의마지막단계인 diacylglycerol acyltransferase

3 - 최철수 : 인슐린저항성의치료전략 - (DGAT1) 을근육과간에과발현시켰을때중성지방의증가와인슐린저항성은상관관계를나타내지않아축적된지방중대부분을차지하는중성지방보다는생리활성물질로서역할을하는지질대사체가인슐린신호전달계를억제하여인슐린저항성의발생에관여하는것으로생각되고있다 [3,18~20]. 이러한지질대사체로는중성지방경로의 long-chain acyl CoA (LCCoA), Lysophosphatidic acid, Phosphatidic acid, Diacylglycerol (DAG) 과스핑고지질계의 Ceramide 및 GM3, 인지질경로의 lysophosphatidylcholine 등이거론되고있다 [18~20]. 그외에도많은생리활성지질대사체가존재함으로새로운지질대사체가인슐린저항성발생을유도할가능성은충분하다. 이중가장많이연구된가설로조직에서유리지방산의이용증가로근육과간의 DAG가증가하고이것이이들조직의 novel PKCs ( 근육 :PKCθ, 간 :PKC ε) 를활성화시키고, 활성화된 PKCs에의해 IRS1 & 2의 serine phosphorylation이증가하고 tyrosine phosphorylation 은감소하여결국 PI3K 및 Akt의활성을감소시켜근육에서는 GLUT4에매개되는포도당유입이감소되고간에서는 HGO가억제되지않아인슐린저항성이발생한다는가설이제시되었다 [3,18]. 또한세포막을구성하는대표적인지질성분중하나인세라마이드는 palmitic acid로부터새로이합성될뿐만아니라 inflammation에동반되어 TNFα에의해 sphingomyelinase가활성화되어 sphingomyeline에서도생성되어 protein phosphatase 2를활성화하여 Akt dephosphorylation을촉진하고, JNK1및 IKKβ를활성화하여 IRS1 & 2의 serine phosphorylation 을증가시켜포화지방산, TNFα 및 glucocorticoid에의한인슐린저항성을매개하는것으로알려지고있다 [19,21,22]. 4. 염증반응 (Inflammation) 가설비만및고지방식이에의한인슐린저항성발생과정에는조직의지방축적과함께지방조직 (adipose tissue) 의염증반응이동반된다. 염증반응은지방조직을중심으로대식세포 (macrophage) 가침착하고, 활성화된대식세포와지방세포에서 inflammatory cytokine의분비가증가하여인슐린저항성을유발한다는가설이제기되고있다 [23,24]. 그러나이상의기전에의해인슐린저항성이유발한다면비만조직으로부터생성된 inflammatory cytokine이포도당대사에정량적으로중요한간과근육까지고농도로도달하여야가능하다. 왜냐하면간과근육에서포도당대사에영향이없으면전신의인슐린저항성및포도당대사에정량적으로영향을주기어렵기때문이다. 그러나 TNFα나 IL-6 등대표적인 inflammatory cytokine은인슐린저항성을보이는사람및동물모델의혈액에서혈중농도의증가를보이는경우가드물고 [25~27], 이러한 inflammatory cytokine을고농도로주입한실험에서만간의인슐린저항성이발생한다는보고 [28] 가있어지방조직의 inflammation이생리적조건에서도간과근육의인슐린저항성발생에유의하게기여하는지는아직분명하지않다. 그러나근육및간의지방축적과함께이들조직에서염증반응의 signaling intermediate인 IkB kinase-β (IKK-β), c-jun-n-terminal kinase 1 (JNK1), suppressor of cytokine signaling 3 (SOCS3) 의활성이증가된다는연구결과 [29~31] 로미루어볼때근육및간에서지방축적에의해유도된염증반응이이들조직의인슐린저항성발생에영향을미칠수있으리라생각되고있다. 따라서지방에의한인슐린저항성발생의초기단계에서근육및간조직내지방축적에따른염증반응의역할을배제할수는없지만비만에동반된염증반응은인슐린저항성발생에선행하는일차적원인이기보다는조직의지방축적에동반되어인슐린저항성을더욱악화시킬수있는원인으로생각되어지고있다. Potential Therapeutic Strategies of Fat Induced Insulin Resistance 1. 인슐린저항성의치료전략으로서조직의지방축적억제 (Fig. 3) 비만및고지방식이에의한인슐린저항성발생에서인슐린신호전달계를억제하는 serine/threonine kinases 및이들의활성화에직접연관된특이지질대사체가아직완전히규명되지는않았고, 염증반응이인슐린저항성발생에일부관여하는것으로생각되지만, 조직의지방축적이선행하는직접적인원인으로생각됨으로인슐린저항성의치료전략으로써조직의지방축적을감소시킬수있는연구를수행하였다. 조직의지방축적을감소시키는방법중조직특이적지방섭취의억제는다른조직에지방축적및인슐린저항성을초래하고, 식이조절은조직의지방섭취및합성을억제하며운동은지방산화를촉진시킬수있지만이들두방법은실제지속하기가어려운현실적단점이있다. 따라서본연구자는지방합성 (de novo synthesis/re-esterification) 의억제및지방산화 (fat oxidation) 의증가를유도할수있는약물타겟을발굴하고생체에서이를검정하고자하였다. 지방산합성경로가활성화되어있는간에서는지방합성의처음과마지막단계인 acetyl-coa carboxylase 1&2 (ACC1&2) 및 diacylglycerol acyltransferase 2 (DGAT2) 를각각 antisense oligonucleotide (ASO) 를이용하여 in vivo에서이들유전자의 mrna를선택적으로억제하였다 [32,33]. 그리고생체에너지소모에서정량적으로가장중요한근육에서는미토콘드리아로지방산이동을촉진시키기위해 ACC2의결핍 [27], 미토콘드리아에서에너지를열로발산하는 uncoupling protein 3 (UCP3) 의과발현 [34], 미토콘드리아 biogenesis에중요한 PGC-1α의과발현 [35] 을통하여근

4 대한내분비학회지 : 제 24 권제 2 호 2009 Fig. 3. Therapeutic targets for reducing fat synthesis in liver and for increasing fat oxidation in muscle ACC, acetyl-coa carboxylase; DGAT, diacylglycerol acyltransferase; UCP3, uncoupling protein 3; PGC-1α, Peroxisome proliferator activated receptor- coactivator -1α. 육의지방산화를촉진시켜근육과간의지방축적을감소시켜인슐린저항성을예방및호전시키고자하였다. 2. Therapeutic Targets for Fat Induced Hepatic Insulin Resistance 유전자기능을생체에서연구하기위하여특정유전자를 knock-out시키거나과발현시킨유전자조작마우스 (Genetically engineered mouse, GEM) 를가지고연구하는것이필수적이며현재보편화되어있는기법이나 GEM를생산하는데많은비용과시간이소모되는제한점이있다. 그래서본연구자는간을타겟으로한유전자의생체기능연구에서 GEM을이용하는연구방법의대안으로생체 RNAi 기법을적용하였는데, 생체주입된 RNAi는대부분간으로유입되고근육, 뇌, 심장등다른장기에흡수되는비율이비교적낮고간의타겟유전자를효율적으로억제할수있기때문에대사질환연구에좋은연구방법으로써이용될수있다. 간의지방합성억제를위해본연구자가사용한 antisense oligonucleic acid (ASO) 는미국 ISIS사에서제작된 20 base phosphorothioate chimeric antisense oligonucleic acid로 mrna affinity 및 nuclease resistance를증가시키기위해양쪽말단의 5개 base에 2'-O-(2-methoxy)-ethyl(2'-MOE) modification을하였다. 1) Acetyl-CoA Carboxylase (ACC) (Fig. 4) ACC에의해합성된 malonyl-coa는지방산합성의전구물질일뿐아니라지방산산화의속도조절단계인 carnitine palmitoyltransferase 1 (CPT1) 의활성을조절하여지방산 합성뿐만아니라지방산산화를조절하는효소이다. 2개의 isoform 중 ACC1은간과지방조직에서주로발현되고, ACC2는심장과근육에서주로발현되며간에서도일부발현된다. 이전의연구에서 ACC1은세포질에위치하여지방산합성에관여하고, ACC2는미토콘드리아막에위치하여지방산산화에관여하는것으로생각되었다. 그러나 ACC1 & 2 ASO는 primary hepatocyte에서지방산산화를촉진시켰고지방합성은 ACC1 ASO에의해서만유의하게감소되어, ACC1이지방산합성을조절하긴하지만이전의연구결과와달리 ACC1과 ACC2 모두지방산산화에관여하는것으로나타났다. 지방간의인슐린저항성에대한치료타겟으로의효과를연구하기위하여고지방식이 (59% fat, Safflower oil) 로지방간을유도한백서에 ACC1&2의유전자발현을동시에억제할수있는 combo ASO (50 mg/kg/week 4 weeks) 를복강에투여하여 ACC1 & 2를동시에약 80% 감소시켰을때간의지방및지질대사체 (triglycerides, LCCoA, DAG) 의현저한감소가관찰되었다. 또한고인슐린혈증- 정상포도당클램프 (hyperinsulinemic euglycemic clamp) 기법으로간의포도당생성 (HGO) 을정량적으로측정하였을때대조군에비해인슐린저항성의현저한호전을확인할수있었다. 이러한간의포도당생성억제는 ACC1 & 2 유전자의동시억제에의해지방산합성의억제및산화가증가되어간의지방및지질대사체가감소되었고, 이는 protein kinase C epsilon (PKCε) 의세포막으로의이동을감소시키므로서인슐린신호전달계가활성화되고포도당신생의핵심전사인자 (transcription factor) 인 FOXO1의인산화에의해간의포도당신생과정의핵심효소인 phosphoenoyl pyruvate

5 - 최철수 : 인슐린저항성의치료전략 - Fig. 4. Reversal of diet-induced hepatic steatosis and hepatic insulin resistance following suppression of both ACC1 and ACC2 with antisense oligonucleotides. Fig. 5. Suppression of diacylglycerol acyltransferase-2 (DGAT2), but not DGAT1, with antisense oligonucleotides reverses diet-induced hepatic steatosis and insulin resistance. carboxykinase (PEPCK) 및 glucose-6 phosphatase (G6Pase) 의유전자발현이억제된결과로해석되었다 [32]. 이와유사한기전으로 malonyl CoA를분해하는 malonyl CoA decarboxylase (MCD) 의과발현 [36] 에의해 malonyl CoA농도를감소시킴으로간의지방축적을억제하고인슐린 저항성을호전시키는것도한전략으로생각된다. 2) Acyl CoA: Diacylglycerol Acyltransferase (DGAT) (Fig. 5) DGAT은중성지방합성의마지막단계로 sn-1,2-69 -

6 대한내분비학회지 : 제 24 권제 2 호 diacylglycerol (DAG) 에서 triglycerides를합성하는효소이며 2가지 isoform이현재밝혀져있다. DGAT의 2가지 isoform의생화학적기능은유사하지만조직분포 (DGAT1은소장과지방조직에서주로발현되고 DGAT2는간과지방조직에서주로발현 ) 및속해있는유전자군 (DGAT1은 acyl CoA:cholesterol acyltransferase, ACAT family; DGAT2는 acyl CoA:monoacylglycerol acyltransferase, MGAT family) 이달라이들의중성지방합성에대한역할이다를것으로예상되었다. DGAT1 KO mice는간과근육의중성지방을약 50% 정도감소시키며고지방식이에의한비만및인슐린저항성발생을예방하였다. 그러나 homozygous DGAT2 KO mice는출생직후심각한 lipopenia와 skin barrier 장애로사망하였고, hetero KO mice는특이한변화를보이지않아 DGAT1과 DGAT2의차이및 DGAT2의역할을생체에서규명하기가어려웠다. 4주간고지방식이에의한지방간백서모델에서 DGAT1과 DGAT2 ASOs (75 mg/kg/week 4 weeks) 를투여하였을때간의타겟유전자인 DGAT1과 DGAT2의발현을각각약 80% 억제하였다. 그러나간의중성지방량및혈중지질 ( 콜레스테롤및중성지방 ) 의현저한감소는 DGAT2 유전자발현의억제에의해서만나타났고이러한결과로 DGAT1이아닌 DGAT2가간의중성지방합성의핵심조절인자로생각되었다. 또한흥미롭게도 DGAT2 를억제하였을때인슐린저항성을유발하는지질대사체중의하나이며 DGAT2의기질인 DAG가축적되어지방간은호전됨에도불구하고간의인슐린저항성이악화될것으로추측하였으나예상과달리 DGAT2를억제하였지만 DAG가축적되기보다오히려감소하였고, 이로인해 PKCε의세포막으로의이동또한감소하였다. 그리고고인슐린혈증 -정상포도당클램프기법에의해측정된간의포도당생성률은 DGAT2 억제에의해서만현저히감소되었다 [33]. DAG가오히려감소한기전을규명하기위해고지방식이및 ASO 투여후 4, 8, 16, 28일에조직을채취하여 DGAT2 가억제된시간에따라이들대사체의변화를관찰하였을때 DGAT2 억제의초기에도 DAG의축적이관찰되지않았는데, 이는 DGAT2의억제초기에중성지방의합성감소로증가된유리지방산에의해간에서지방합성의조절전사인자인 SREBP1c가억제되고, downstream target인 mitochondrial glycerol-phosphate acyltransferase (mtgpat) 가억제되어 DAG의합성역시억제된것으로나타났다. 한편인슐린저항성유발의원인대사체로거론되었던 LCCoAs는간에서차이를보이지않았고또한 mtgpat KO mice 연구에서도 mtgpat의기질인 LCCoAs의축적에도간의인슐린저항성호전되었는데, 이것은지방에의한간의인슐린저항성유발에있어서 LCCoAs 보다는 DAG가직접적인원인임을시사하는결과로생각된다. 더욱이 DAG는 novel PKCs의활성물질로알려져있고간에서지방투여시세포막으로이 동하는 PKC는 PKCε으로밝혀져지방축적에의한 DAG의증가로 PKCε이활성화되어인슐린신호전달계를억제함으로간의인슐린저항성을유발하는가설을지지하는결과로생각된다. 즉지방합성경로 (ACC1 & 2, mtgpat, DGAT2) 의억제는지방간및간의인슐린저항성예방및치료타겟이될수있을것으로생각된다 [33]. 3. Therapeutic Targets for Fat Induced Muscle Insulin Resistance 간과달리근육은체중의 30~40% 를차지하고포도당및지방산산화의대표적인장기이다. 따라서근육의지방축적을감소시키기위해서는지방산산화를촉진하는전략이가장효율적인방법으로생각되었다. 근육은현재까지의 RNAi 기법및유전자전달시스템으로는생체에서효율적으로 tissue targeting을할수없기때문에타겟유전자의과발현또는적중 GEM을이용하여생체에서의효율을검정하였다. 1) ACC2 (Fig. 6) 지방산산화는주로미토콘드리아에서일어나며 carnitine palmitoyltransferase 1 (CPT1) 에의해세포질에서미토콘드리아로의지방산이동이조절된다. 근육에서주로발현되는 ACC2는미토콘드리아의외막주위에존재하는 malonyl CoA의농도조절을통하여 CPT1을억제하여지방산산화를억제하는것으로알려져있다. 따라서 ACC2를선택적으로억제하였을때 malonyl CoA 농도의감소로 CPT1의억제가감소하여지방산의미토콘드리아로의유입이증가하여지방산산화를증가시키고그결과로근육의지방축적이감소할것으로예상하였다. ACC2 KO mice는예상대로지방산화를촉진하여에너지소모량 (total energy expenditure) 을현저히증가시켜고지방식이에의한전신비만을예방하였고근육의중성지방량및지질대사체 (DAG, LCCoA) 가감소되었다. 또한 PKCθ의세포막으로의이동을감소시켜인슐린신호전달계를활성화시켜포도당의유입이증가하여지방에의한근육의인슐린저항성을호전시켰다 [27]. 흥미로운점은세라마이드역시지방에의한인슐린저항성을유발할수있는것으로보고되었으나본연구에서는근육내세라마이드양의차이는관찰되지않았다. 이는포화지방산에의해증가하는세라마이드합성기전을고려할때본연구에서는올레산 (C19:1, oleic acid) 이주성분인고지방식이를사용한것이한가지원인으로생각되나최소한본연구에서는세라마이드에의한인슐린저항성관련성을관찰하지못하였다. 조직의고지방식이에의한인슐린저항성발생에염증반응이관여한다는연구결과들이보고되었으나본연구에서는혈액내 IL-6, TNF-α 등 inflammtory cytokine 의증가또한관찰되지않았다 [27]. 최근까지 ACC는대사질환치료의신약타겟으로주목을

7 - 최철수 : 인슐린저항성의치료전략 - Fig. 6. Continuous fat oxidation in Acetyl-CoA carboxylase 2 mutant mice increases total energy expenditure, reduces fat mass and improves insulin sensitivity. Fig. 7. Overexpression of uncoupling protein 3 in skeletal muscle protects against fat-induced insulin resistance. 받고있는데, ACC의억제로시상하부 (hypothalamus) 나췌장의 malonyl CoA 감소로식욕증가및인슐린분비의감소등이관찰된점은 [37] ACC2를타겟으로한신약개발시고려해야할사항이다. 2) UCP3 (Fig. 7) 또다른지방산산화를촉진할수있는치료타겟으로 Uncoupling protein (UCP) 을들수있다. UCP는미토콘드리아의내막에존재하는단백질로미토콘드리아의 proton

8 대한내분비학회지 : 제 24 권제 2 호 2009 gradient를 oxidative phosphorylation과 uncoupling 시켜서에너지를열로발산시키는단백질로알려져있다. 갈색지방조직에서 UCP1이처음발견되었고 UCP3는 UCP1과 homology를가지며사람과동물의근육에서주로발현되나생체에서그역할은아직명확히밝혀지지않았지만지질및에너지대사에관여하는것으로생각되고있다. 생체의 ATP는소량이유지되고필요시대사요구량에따라새로이만들어지는것으로생각된다. UCP3의과발현시 proton gradient와 oxidative phosphorylation의 uncoupling이증가하지만 ATP를일정량유지하기위해서는미토콘드리아로의지방산을포함한에너지유입이증가하고본연구와같이 UCP3를생리적농도를초과할정도로과발현시키면미토콘드리아의에너지유입이증가하여도과도한 uncoupling으로 ATP생성량은감소할것으로생각되었다. UCP3 과발현마우스에서 31P 핵자기공명분광기법 (MRS) 의 saturation transfer technique을이용하여생체에서 ATP production rate를실시간으로정량적으로측정하였을때예상과같이 UCP3 과발현마우스는대조군에비해근육의 ATP production rate는감소하였으나 energy expenditure는현저하게증가하였다. 이에따라근육내지방및지질대사체의감소가예상되었으나흥미롭게도중성지방을포함한지질대사체 (LCCoA, lysophospatidic acid) 의변화는관찰되지않았고 DAG의 membrane/cytosol 비율만유의하게감소하고 PKCθ의세포막으로의이동이감소되고인슐린신호전달계는활성화되어지방에의한근육의인슐린저항성을호전시켰다. 고지방식이에의한인슐린저항성연구에서 ACC2 KO mice와 UCP3 Tg mice에서 energy expenditure가증가하고인슐린저항성이호전되는등매우유사한결과를보이나조직의 DAG 변화를제외하고는두종류의마우스사이에는서로상이한조직의중성지방및지질대사체농도변화를보였다. 이러한결과는간의지방축적에의한인슐린저항성기전과유사하게근육에서도지방에의한인슐린저항성을유발하는핵심지질대사체로 DAG의가설을지지하는결과로생각되어진다 [34]. 3) 미토콘드리아 Biogenesis 미토콘드리아는지방산산화의중요기관임으로미토콘드리아 biogenesis를증가시켜지방산산화를촉진하는것이또다른치료전략으로연구되고있다. 미토콘드리아 biogenesis 에관여하는 calcineurin[38] 과 PPARδ[39] 의근육특이적과발현마우스연구에서 type I muscle fiber 및미토콘드리아의현저한증가와함께고지방식이에의한비만및인슐린저항성을예방하였다. 그러나최근 10년간미토콘드리아 biogenesis의핵심전사보조활성인자로관심을보았던 PGC-1α 근육특이적과발현마우스연구에서 type I fiber 및미토콘드리아의현저한증가에도불구하고근육으로지 방산의유입증가로근육에지방이오히려축적되어인슐린저항성을악화시켰다 [35]. 하지만여전히미토콘드리아 biogenesis를증가시킬수있는치료전략은비만및고지방식이에의한인슐린저항성예방에효과적인치료타겟으로생각되고있다. 미토콘드리아와함께근육량을증가시키는전략도관심을끌고있다. 근육은생체에서에너지소모의가장중요한장기이므로근육성장을억제하는 myostatin을억제함으로근육의성장 (hypertrophy와 hyperplasia) 을촉진하여에너지소모를증가시키고자하는연구가 myostatin KO mice를통하여진행되고있다. 이상의결과로비만및고지방식이에의한인슐린저항성발생에서간과근육조직의지방축적이선행하는직접적인원인으로생각되므로조직의지방축적을감소시킬수있는방법은효율적인인슐린저항성예방및치료전략으로생각된다. 지방합성경로가활성화되어있는간에서지방합성경로 (ACC1 & 2, mtgpat, DGAT2) 의억제는지방간및간의인슐린저항성의예방및치료타겟이될수있을것으로생각된다. 그리고생체에너지소모에서정량적으로가장중요한근육에서는미토콘드리아로지방산이동을촉진시키기위한전략으로 ACC2의결핍, UCP3의과발현, 미토콘드리아 biogenesis에중요한 PPARδ 과발현및근육량을증가시키는 myostatin 결핍등이효과적인타겟으로생각된다. 참고문헌 1. DeFronzo RA: Lilly Lecture The triumvirate: β -cell, muscle, liver. A collusion responsible for NIDDM. Diabetes 37: , DeFronzo RA, Bonadonna RC, Ferrannini E: Pathogenesis of NIDDM. A balanced overview. Diabetes Care 15: , Shulman GI: Cellular mechanisms of insulin resistance. J Clin Invest 106: , Warram JH, Martin BC, Krolewski AS, Soeldner JS, Kahn CR: Slow glucose removal rate and hyperinsulinemia precede the development of type II diabetes in the offspring of diabetic parents. Ann Intern Med 113: , Lillioja S, Mott DM, Spraul M, Ferraro R, Foley JE, Ravussin E, Knowler WC, Bennett PH, Bogardus C: Insulin resistance and insulin secretory dysfunction as precursors of non-insulin-dependent diabetes mellitus. Prospective studies of Pima Indians. N Engl J Med 329: , Buchanan TA, Xiang AH, Peters RK, Kjos SL, Marroquin A, Goico J, Ochoa C, Tan S, Berkowitz K,

9 - 최철수 : 인슐린저항성의치료전략 - Hodis HN, Azen SP: Preservation of pancreatic beta-cell function and prevention of type 2 diabetes by pharmacological treatment of insulin resistance in high-risk hispanic women. Diabetes 51: , Salway JG: Metabolism at a Glance. 3rd ed. Oxford, Oxford, Wiley-Blackwell, Fink RI, Wallace P, Brechtel G, Olefsky JM: Evidence that glucose transport is rate-limiting for in vivo glucose uptake. Metabolism 41: , Taniguchi CM, Emanuelli B, Kahn CR: Critical nodes in signalling pathways: insights into insulin action. Nat Rev Mol Cell Biol 7:85-96, Danforth E Jr: Failure of adipocyte differentiation causes type II diabetes mellitus? Nat Genet 26:13, Gavrilova O, Marcus-Samuels B, Graham D, Kim JK, Shulman GI, Castle AL, Vinson C, Eckhaus M, Reitman ML: Surgical implantation of adipose tissue reverses diabetes in lipoatrophic mice. J Clin Invest 105: , Petersen KF, Oral EA, Dufour S, Befroy D, Ariyan C, Yu C, Cline GW, DePaoli AM, Taylor SI, Gorden P, Shulman GI: Leptin reverses insulin resistance and hepatic steatosis in patients with severe lipodystrophy. J Clin Invest 109: , Kim JK, Fillmore JJ, Chen Y, Yu C, Moore IK, Pypaert M, Lutz EP, Kako Y, Velez-Carrasco W, Goldberg IJ, Breslow JL, Shulman GI: Tissue-specific overexpression of lipoprotein lipase causes tissue -specific insulin resistance. Proc Natl Acad Sci USA 98: , Wang H, Knaub LA, Jensen DR, Young Jung D, Hong EG, Ko HJ, Coates AM, Goldberg IJ, de la Houssaye BA, Janssen RC, McCurdy CE, Rahman SM, Soo Choi C, Shulman GI, Kim JK, Friedman JE, Eckel RH: Skeletal muscle-specific deletion of lipoprotein lipase enhances insulin signaling in skeletal muscle but causes insulin resistance in liver and other tissues. Diabetes 58: , Krssak M, Falk Petersen K, Dresner A, DiPietro L, Vogel SM, Rothman DL, Roden M, Shulman GI: Intramyocellular lipid concentrations are correlated with insulin sensitivity in humans: a 1H NMR spectroscopy study. Diabetologia 42: , Michikawa Y, Mazzucchelli F, Bresolin N, Scarlato G, Attardi G: Aging-dependent large accumulation of point mutations in the human mtdna control region for replication. Science 286: , Petersen KF, Befroy D, Dufour S, Dziura J, Ariyan C, Rothman DL, DiPietro L, Cline GW, Shulman GI: Mitochondrial dysfunction in the elderly: possible role in insulin resistance. Science 300: , Shulman GI: Unraveling the cellular mechanism of insulin resistance in humans: new insights from magnetic resonance spectroscopy. Physiology (Bethesda) 19: , Summers SA, Nelson DH: A role for sphingolipids in producing the common features of type 2 diabetes, metabolic syndrome X, and Cushing's syndrome. Diabetes 54: , Lowell BB, Shulman GI: Mitochondrial dysfunction and type 2 diabetes. Science 307: , Grigsby RJ, Dobrowsky RT: Inhibition of ceramide production reverses TNF-induced insulin resistance. Biochem Biophys Res Commun 287: , Holland WL, Brozinick JT, Wang LP, Hawkins ED, Sargent KM, Liu Y, Narra K, Hoehn KL, Knotts TA, Siesky A, Nelson DH, Karathanasis SK, Fontenot GK, Birnbaum MJ, Summers SA: Inhibition of ceramide synthesis ameliorates glucocorticoid-, saturated-fat-, and obesity-induced insulin resistance. Cell Metab 5: , Weisberg SP, McCann D, Desai M, Rosenbaum M, Leibel RL, Ferrante AW Jr: Obesity is associated with macrophage accumulation in adipose tissue. J Clin Invest 112: , Xu H, Barnes GT, Yang Q, Tan G, Yang D, Chou CJ, Sole J, Nichols A, Ross JS, Tartaglia LA, Chen H: Chronic inflammation in fat plays a crucial role in the development of obesity-related insulin resistance. J Clin Invest 112: , Morino K, Petersen KF, Dufour S, Befroy D, Frattini J, Shatzkes N, Neschen S, White MF, Bilz S, Sono S, Pypaert M, Shulman GI: Reduced mitochondrial density and increased IRS-1 serine phosphorylation in muscle of insulin-resistant offspring of type 2 diabetic parents. J Clin Invest 115: , Petersen KF, Dufour S, Befroy D, Lehrke M, Hendler RE, Shulman GI: Reversal of nonalcoholic hepatic steatosis, hepatic insulin resistance, and hyperglycemia by moderate weight reduction in patients with type

10 대한내분비학회지 : 제 24 권제 2 호 2009 diabetes. Diabetes 54: , Choi CS, Savage DB, Abu-Elheiga L, Liu ZX, Kim S, Kulkarni A, Distefano A, Hwang YJ, Reznick RM, Codella R, Zhang D, Cline GW, Wakil SJ, Shulman GI: Continuous fat oxidation in acetyl-coa carboxylase 2 knockout mice increases total energy expenditure, reduces fat mass, and improves insulin sensitivity. Proc Natl Acad Sci USA 104: , Kim HJ, Higashimori T, Park SY, Choi H, Dong J, Kim YJ, Noh HL, Cho YR, Cline G, Kim YB, Kim JK: Differential effects of interleukin-6 and -10 on skeletal muscle and liver insulin action in vivo. Diabetes 53: , Hotamisligil GS, Shargill NS, Spiegelman BM: Adipose expression of tumor necrosis factor-alpha: direct role in obesity-linked insulin resistance. Science 259:87-91, Kim JK, Kim YJ, Fillmore JJ, Chen Y, Moore I, Lee J, Yuan M, Li ZW, Karin M, Perret P, Shoelson SE, Shulman GI: Prevention of fat-induced insulin resistance by salicylate. J Clin Invest 108: , Hirosumi J, Tuncman G, Chang L, Görgün CZ, Uysal KT, Maeda K, Karin M, Hotamisligil GS: A central role for JNK in obesity and insulin resistance. Nature 420: , Savage DB, Choi CS, Samuel VT, Liu ZX, Zhang D, Wang A, Zhangi XM, Cline GW, Yu XX, Geisler JG, Bhanot S, Monia BP, Shulman GI: Reversal of diet-induced hepatic steatosis and hepatic insulin resistance by antisense oligonucleotide inhibitors of acetyl-coa carboxylases 1 and 2. J Clin Invest 116: , Choi CS, Savage DB, Kulkarni A, Yu XX, Liu ZX, Morino K, Kim S, Distefano A, Samuel VT, Neschen S, Zhang D, Wang A, Zhang XM, Kahn M, Cline GW, Pandey SK, Geisler JG, Bhanot S, Monia BP, Shulman GI: Suppression of diacylglycerol acyltransferase-2 (DGAT2), but not DGAT1, with antisense oligonucleotides reverses diet-induced hepatic steatosis and insulin resistance. J Biol Chem 282: , Choi CS, Fillmore JJ, Kim JK, Liu ZX, Kim S, Collier EF, Kulkarni A, Distefano A, Hwang YJ, Kahn M, Chen Y, Yu C, Moore IK, Reznick RM, Higashimori T, Shulman GI: Overexpression of uncoupling protein 3 in skeletal muscle protects against fat-induced insulin resistance. J Clin Invest 117: , Choi CS, Befroy DE, Codella R, Kim S, Reznick RM, Hwang YJ, Liu ZX, Lee HY, Distefano A, Samuel VT, Zhang D, Cline GW, Handschin C, Lin J, Petersen KF, Spiegelman BM, Shulman GI: Paradoxical effects of increased expression of PGC-1alpha on muscle mitochondrial function and insulin-stimulated muscle glucose metabolism. Proc Natl Acad Sci USA 105: , An J, Muoio DM, Shiota M, Fujimoto Y, Cline GW, Shulman GI, Koves TR, Stevens R, Millington D, Newgard CB: Hepatic expression of malonyl-coa decarboxylase reverses muscle, liver and whole-animal insulin resistance. Nat Med 10: , Harwood HJ Jr: Treating the metabolic syndrome: acetyl-coa carboxylase inhibition. Expert Opin Ther Targets 9: , Naya FJ, Mercer B, Shelton J, Richardson JA, Williams RS, Olson EN: Stimulation of slow skeletal muscle fiber gene expression by calcineurin in vivo. J Biol Chem 275: , Wang YX, Zhang CL, Yu RT, Cho HK, Nelson MC, Bayuga-Ocampo CR, Ham J, Kang H, Evans RM: Regulation of muscle fiber type and running endurance by PPARdelta. PLoS Biol 2:e294,

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<30332EC1BEBCB32DC3D6C3B6BCF62E687770> 대한내과학회지 : 제 77 권제 2 호 2009 종설 (Review) 인슐린저항성의발생기전 한국마우스대사질환특화센타, 이길여암당뇨연구원, 가천의과학대학교 최철수 Pathogenesis of insulin resistance Cheol Soo Choi, M.D., Ph.D. Korea Mouse Metabolic Phenotyping Center, Lee Gil