Lactate metabolic regulation by NRs during early embryo stage development

Abstract

포유류 발달에 대한 환경적 기여는 오늘날 더욱 중요한 주제가 되고 있다. 배아 발생 동안, 배아 주변의 미세 환경은 대사 산물의 적절한 지원을 통해 특정 시간에 하나의 성공적인 배아 발달을 지원한다. 신진대사의 극적인 변화는 신진대사에 착상 전 단계가 진행되는 동안 발생한다. 첫 번째 난할 단계는 주로 낮은 수준의 대사를 유지하기 위해 피루브산과 젖산을 사용하고 일단 밀착이 시작되면 피루브산은 포도당 기반 대사로 전환된다. 대사 변화는 또한 중간 대사 산물 중 하나로서 배아의 정상적인 발달에 중요한 의미를 가질 수 있으며 발달 능력의 중요한 지표가 될 수 있다. 따라서 젖산은 에너지원으로 사용될 뿐만 아니라 적절한 생산과 활용이 배아 발달에 영향을 줄 수 있는 기질 중 하나라고 볼 수 있다. 젖산 탈수소효소(LDH)는 피루브산과 젖산 사이의 상호전환을 촉매한다. LDH 유전자에는 Ldha, Ldhb, Ldhc 및 Ldhd의 4가지 유형이 있다. 처음 2개의 유전자는 각각 LDHA 또는 LDHB 서브유닛을 코딩하며, 이는 5개의 별개의 사량체성 동효소인 LDH-1에서 5를 형성한다. 핵 수용체는 리간드에 결합하고 핵에서 전사 조절자로서 기능하며 대사 및 발달 조절, 세포 분화 및 항상성을 비롯한 다양한 기능을 수행할 수 있다. 그 중 레티노이드 X 수용체는 RAR뿐만 아니라 PPAR과 같은 핵 수용체 패밀리의 다른 구성원과도 이량체로 작용할 수 있기 때문에 다양한 생물학적 과정에서 중요한 역할을 할 수 있다. 이 연구에서는 RXR과 젖산 대사 사이의 가능한 관계를 조사했다. 2-세포기 배아를 사용하여 배양 조건에 따른 발달 속도를 분석하고, 다양한 젖산 농도의 배지에서 Rxrs, Pgc1s, Ldhs 및 Pparg의 mRNA 수준을 조사하였다. 젖산이 없는 조건에서 배양된 배아는 대조군에 비해 발달 지연을 보였다. 반대로, 높은 젖산 조건에서 배양된 배아는 대조군 및 젖산이 없는 조건보다 더 빠른 발달 속도를 보였다. pyruvate를 lactate로 전환시키는 Ldha의 발현은 Ldhb보다 상대적으로 높은 mRNA 발현 수준을 보였다. Rxrs 및 Pgc1s는 또한 배양 배지 내 젖산 농도 또는 RXR 작용제 또는 길항제 처리에 따라 다른 발현을 보였다. 이러한 데이터로부터 초기 배 발달 속도는 배양 배지의 젖산 농도에 영향을 받을 수 있음을 알 수 있다. 또한, 이러한 결과를 바탕으로 Rxrs는 젖산 대사 및 젖산 탈수소효소의 발현에 관여할 수 있음을 확인하였다. 이러한 결과는 초기 배아의 적절한 발달을 위해 젖산 대사 회로가 형성될 수 있음을 시사한다.|Environmental contribution in mammalian development is becoming more important topics these days. During embryogenesis, the microenvironment around the embryo supports one successful embryo development at a particular time through appropriate supporting of metabolites. A dramatical changes in metabolism is occurs during pre-implantation stage. The embryo of cleavage stages primarily uses pyruvate and lactate to maintain low levels of metabolism, and once compaction begins, pyruvate is converted to glucose-based metabolism. It also have a significant meaning on the preparing intermediate metabolites on the normal development of the embryo and become an important marker for developmental competency. It is known that lactate is not only used as an energy source but also one of the substrates whose proper production and utilization can affect embryonic development. Lactate dehydrogenase (LDH) catalyzes the interconversion between pyruvate and lactate. There are four types of LDH gene: Ldha, Ldhb, Ldhc and Ldhd. First two genes code LDHA or LDHB subunit, respectively, which form five distinct tetrameric isoenzymes, LDH-1 to 5. LDH-1 (A0B4) catalyzes conversion L-lactate to pyruvate preferentially and LDH-5 (A4B0) catalyzes vice versa direction. LDH-2 (A3B1), LDH-3 (A2B2) and LDH-4 (A1B3) have intermediate enzyme activity. The Ldhc codes LDHC subunit forming LDH-C4 that catalyzes oxidation of L-lactate to pyruvate. Unlike others, Ldhd codes LDHD subunit that consists of dimer utilizing D-lactate. Nuclear receptors bind to ligands, function as transcriptional regulators in the nucleus, and can perform a variety of functions, including metabolic and developmental regulation, cell differentiation and homeostasis. Among them, the retinoid X receptor (RXR) play an important role in various biological processes because it can act as a dimer not only with RAR but also with other members of the nuclear receptor family such as Peroxisome Proliferator-Activated Receptor (PPAR). However, the studies of the role of signaling molecules and gene-regulated nuclear receptors in lactate metabolism during early embryonic development are currently lacking. In this study, the possible relation between RXR and lactate metabolism was examined. 2-cell stage embryos were used and analyzed developmental rate by culture condition. The mRNA levels of RXRs, PPARs, PGC1s and LDHs were evaluated at various treatment groups. Embryos cultured in lactate-free conditions showed developmental delays compared to controls. Conversely, embryos cultured under lactate-high conditions showed a faster development rate than control and lactate-free conditions. The expression of Ldha, which converts pyruvate to lactate, showed a relatively higher mRNA expression level than that of Ldhb. Rxrs and Pgc1s also showed different expression depending on the concentration of lactate in the culture medium or the RXR agonist or antagonist. These results revealed that the rate of early embryo development can be affected by the concentration of lactate in the culture medium. In addition, based on these results, it was suggested that Rxrs may be involved in lactate metabolism and expression of lactate dehydrogenase through circuit forming for lactate metabolism.