소아에서 탈공역단백(UCP-1) 유전자 다형성에 따른 비만 치료의 맞춤형 모형 개발에 관한 연구

Abstract

2005년 우리나라 아동의 비만 유병율은 10.6%로 지속적인 증가 추세이며, 한국형 식사에서 서구형 식사로의 식습관 변화는 성인이 된 후 순환계질환 사망률의 주요 원인임이 발표되었다. 비만은 여러 가지 환경적 인자와 유전적 소인의 상호작용에 의한 결과로 유전적 소인에 의한 체중의 변화는 약 33% 설명될 수 있다고 알려진다. 최근 질병의 유전적인 소인과 치료를 분자생물학적 방법으로 규명하고자 하는 연구가 진행되면서 현재 약 200개 이상의 비만 후보유전자 등이 거론되고 있고 유전자 맞춤형 약물 및 영양 치료의 시도로 맞춤의학 또는 영양의학이라는 새로운 용어가 창출되고 있다. 갈색지방에 존재하는 β3 아드레날린성 수용체(β3AR, β3-adrenergic Receptor) 단백질은 트립토판이 알지닌으로 치환되어 변이를 나타내는데, 이러한 변이(Trp64Arg)는 비만인에서 체중 증가(일본인), 인슐린 비의존성 당뇨의 조기발병(핀란드, 피마인디언), 장기간의 체중 증가(프랑스인)와 상관성이 보고되었다. 탈공역단백(UCP-1, uncoupling protein-1)은 미토콘드리아에서 지방산의 산화에 의한 열발생에 관여하는 단백질로 A3826G 변이는 체중 증가와 저칼로리 식이에 대한 저항성, 기초대사율의 감소 등과의 상관성이 제시되고 있다. 따라서 본 연구의 목적은 초등학생 3∼5학년 117명을 대상으로 비만 관련 유전자의 다형성별 식이섭취 양상과 혈중 생화학적 수준을 바탕으로 변이형 비만유전자 보유자의 반응차이를 정상인과의 개인차로 설명함으로써 비만과 대사성 질환의 진단과 치료 및 예방을 위한 맞춤형 모형을 개발하고자 합니다. 세부 목적으로 1) 아동의 비만지표들 간의 상관관계를 확인하고, 2) 비만 관련 유전자의 상대빈도수 분석하고, 3) UCP-1 유전자 다형성에 의한 비만 관련변수들, 혈중 생화학적 인자들, 영양소 섭취량의 분포를 확인하고, 4) UCP-1 유전자 다형성과 비만 또는 대사성질환의 위험인자와의 상관성을 분석하여, 5) 비만 또는 대사성질환의 위험인자에 있어서 UCP-1 유전자 다형성과 식이섭취의 영향력을 분석하고자 한다. 그래서 이를 바탕으로 식품과 유전자에 의한 질병 예방 및 치료의 맞춤형 모형의 모델을 예측하고자 한다. 연구의 결과는 다음과 같다. 1. 연구대상자의 체중이나 신장 및 기타 신체계측 결과는 다른 연구결과와 유사하였다. 5개의 비만관련 지표들에 의해 비만아동과 정상아동의 빈도수 분석 결과는 서로 다른 경향을 나타내었다. 비만아동이 BIA법에서는 70.0%, 피부두겹두께에 의한 체지방율에서는 47.6%, 륄러지수에서는 14.5%, BMI에 의한 비만도에서는 32.7%, 신장별 체중에 의한 비만도에서는 23.6%로 BAI법에 의해 비만아동의 빈도수가 가장 많았고, 륄러지수에 의한 판정법에 의해 가장 적었다. 혈청 생화화적 분석 결과는 NCEP의 이상지혈증 기준 이하로 나타났다. 2. β3AR 유전자의 상대빈도수는 WW형 66.6%, WR형 38.5%, RR형 0.9%로 일본인이나 서양인의 결과와 유사하였으나 UCP-1 유전자의 상대빈도수는 AA형 15.6%, AG형 57.8%, GG형 26.6%로 일본인과는 유사한 결과이나 서양인에 비해 변이형의 빈도가 2배 이상 높게 나타났다. 3. 신체계측에 의한 비만관련 지표들 간의 상관성은 허리둘레를 제외한 모든 변수들 간에 상관성이 높았다. 그러나 BMI에 의해 비만아동과 정상아동으로 분류한 후 각각의 집단에서 상관성을 비교한 결과 비만아동의 경우 신장별 체중에 의한 비만도와 체중은 상관성이 없으나 정상아동(r=0.613)의 경우 높은 상관성을 나타내었다. 신장별 체중에 의한 비만도(r=0.359), BMI(r=0.413), 륄러지수(r=0.458)는 피부두겹두께에 의한 체지방율과는 높은 상관성을 나타내었으나 BIA법에 의한 지표들과는 상관성을 나타내지 않았다. 비만도에 의해 분류된 비만 아동도 BMI와 유사한 결과를 나타내나, 신장별 체중에 의한 비만도(r=0.360), BMI(r=0.387), 륄러지수(r=0.348)가 허리둘레와 높은 상관성을 나타내었다. 따라서 체중과 신장에 의한 계산법인 신장별 체중에 의한 비만도, BMI에 의한 비만도, 륄러지수는 비만한 경우일수록 피부두겹두께와 허리둘레와 상관성을 나타내고, 정상적인 체중일수록 체중이나 BIA법에 의한 지표들과 상관성을 나타내었다. 4. 혈중 지질관련 인자와 비만관련 지표들 간의 상관성은 LDL은 신장별 체중에 의한 비만도(r=0.191)와 BMI(r=0.218), 체중(r=0.318), BIA법에 의한 지표들, TG는 신장별 체중에 의한 비만도(r=0.202), BMI(r=0.211), 체중(r=0.183), TC는 체중(r=0.307), BIA법에 의한 지표들, HDL는 신장별 체중에 의한 비만도(r=-0.332), BMI(r=-0.258), 륄러지수(r=-0.356), 캘리퍼와 BIA법에 의한 체지방율(r=-0.197, r=-0.177)과 높은 상관성을 나타내었다. 허리둘레는 TG(r=-0.180)와 HDL(r=0.180)에서만 상관성을 나타내었다. 인슐린 저항성 관련 지표들은 포도당보다 인슐린과 c-peptide가 비만관련 지표들과 높은 상관성을 나타내었다. 비만지표들 간의 상관성 또는 혈중 지질과 비만지표들간의 상관성 결과 본 연구에서는 허리둘레의 측정은 소아의 비만도 판정에 의미가 없음을 나타내었다. 5. UCP-1 유전자 다형성에 의한 신체계측의 결과의 분포는 정상형과 변이형에서 차이를 나타내지 않았고 혈중 생화학 결과에서는 LDL(p=0.039)과 TC(p=0.063)이 정상형에 비해 변이형에서 유의적으로 증가하였다. 6. UCP-1 유전자 다형성에 의한 영양소 섭취량의 분포는 열량을 비롯하여 모든 영양소의 섭취가 정상형에서 높은 경향을 나타냈고, 영양밀도에 의한 식사의 질 역시 정상형에서는 대부분의 영양소가 1.0이상이나 변이형에서는 Ca, Fe, Zn, folate이 1.0 이하로 나타났다. 특히 칼슘과 아연의 섭취는 모든 아동에서 낮게 나타났다. 7. LDL을 130㎎/㎗ 기준으로 고LDL 콜레스테롤혈증과 정상으로 나누었을 때 각각에서 UCP-1 유전자 다형성의 분포는 고LDL 콜레스테롤 혈증에서 A allele는 5.4%, G allele는 13.0%로 G allele의 빈도가 높게 분포하였고, 정상에서는 각각 94.6%, 87%의 분포를 나타내었다(p=0.062, ORs 2.640). LDL의 농도를 백분위수에 따라 4집단으로 나누고 UCP-1 유전자의 A와 G allele에서 LDL 농도의 빈도수를 나타내었을 때 G allele에서는 빈도수가 25th, 50th, 75th, 100th에 따라 유의적으로 증가하였다(r2=0.7995, p-trend=0.032). 8. 열량의 대비별 총지방의 섭취량을 20, 25%로 기준하여 20%와 25% 이상을 고지방군, 20%와 25%이하를 정상지방군으로 정의하였을 때 정상지방군에서는 LDL 농도가 유전자 다형성 간에 차이가 없었으나 고지방군에서 LDL 농도가 A allele에 비해 G allele에서 유의적으로 증가하였다(p=0.05, p=0.01). 특히 20%을 기준으로 하였을 때 25% 보다 유전자 다형성에 따라 고지방군에서 LDL의 농도가 더욱 유의적인 차이를 나타내었다. 9. UCP-1 유전자의 G allele에 의한 고LDL콜레스테롤 혈증의 위험도 분석(odds ratio)에서 G allele의 위험도에 영향을 주는 인자를 확인하기 위해 로지스틱 회귀분석을 수행하였다. 고LDL콜레스테롤 혈증에 대한 G allele의 위험도는 2.6이었으나 성별과 나이의 포함으로 위험도는 4.7이었다. 나이, 성별, 유리지방산, HOMA, 허리둘레의 포함으로 G allele의 위험도는 8.1이었고, 나이, 성별, 유리지방산, HOMA, 허리둘레, 체중의 포함으로 G allele의 위험도는 9.2로 증가하였다. 나이, 성별, 유리지방산, HOMA, 허리둘레, 체중, 열량 대비 지방섭취량(%)의 포함으로 G allele의 위험도는 9.3로 증가하였다. 따라서 UCP-1 유전자 변이형은 정상형에 비해 고LDL콜레스테롤 혈증의 발병을 2배 이상 증가시키고, 이때 나이, 성별, 유리지방산, HOMA, 허리둘레, 체중, 열량 대비 지방섭취량(%) 등의 위험인자들을 가지고 있는 경우는 고LDL콜레스테롤 혈증의 발병류을 9배 이상 증가시키는 결과가 나타났다. 10. 고LDL콜레스테롤 혈증의 위험도에 가장 영향력이 있는 변수를 찾기 위해 후진적 제거법을 시행하였다. UCP-1 유전자, 성별, HOMA, FFA, 허리둘레, 체중, 나이, 열량대비별 총지방 섭취량을 변수로 하여 고LDL 콜레스테롤혈증의 위험도를 분석한 결과 UCP-1 유전자의 G allele는 모든 변수 중 가장 고LDL 콜레스테롤 혈증에 대해 위험성이 큰 변수로 나타났고, A allele에 비해 8.8556배의 위험성을 나타내었다. 11. 결과적으로 본 연구에서 UCP-1 유전자 다형성(gene)은 고지혈증 또는 이상지혈증(disease)의 위험인자인 혈중 LDL 콜레스테롤(risk factor)을 증가시키는 인자로 선택되어졌고 대사성증후군(disease)의 위험인자로 분류되는 HOMA-IR, 식이지방 섭취량(risk factor) 등의 변수들과 상호작용으로 LDL 농도를 더욱 증가시켰다. 사람의 갈색지방에서 열생산으로 소비하는 열량은 전체 소비열량의 1∼2%로 열생산의 장애가 이루어질 때 1년에 1∼2㎏의 체중이 증가한다. 더욱이 5-13세 아동은 일생 중 제일 많은 양의 BAT가 신체에 분포되어 있는 것을 고려하였을 때 UCP-1 유전자의 변이는 열생산을 통해 에너지의 소비를 감소시키므로 비만을 초래할 것으로 가정하였으나 본 연구에서는 유전자형 간에 차이가 없었다. 이는 비만은 유전적인 요인 뿐 아니라 생활습관, 식습관 등의 환경적, 문화적 인자가 복합적으로 원인이 되며 비만 관련 유전자들도 서로 연계되어 작용하므로 체중의 증가부분에 있어서 단면적인 연구시점과 UCP-1 유전자 다형성 만으로 설명하기에는 부족하였으리라 생각된다. UCP-1 유전자의 변이형에서 체중의 변화 없이 LDL의 증가는 낮은 에너지 소비율를 갖는 G allele는 미토콘드리아에서 지방산 산화의 결핍으로 조직에서 중성지방을 증가시키고 이것이 조직 내에서 콜레스테롤 운반을 억제시켜 결국 지단백질 대사에 영향을 주어 본 연구의 결과 같이 혈중 LDL을 농도를 증가시킬 것으로 생각되어진다. 고지방식이 식사 후에는 GG형에서 열생산이 감소한다는 아동의 식사 후 열발생 연구를 기초로 할 때 본 연구의 고지방군에서 LDL의 증가는 정상식이군에 비해 더욱 감소한 에너지 소비율 때문일 것으로 추정된다. 결과적으로 UCP-1 유전자의 다형성은 이상지혈증의 위험인자인 LDL의 농도를 증가시키는 위험요인으로써 나타났고, 체중에 대한 잠재적인 능력을 고려했을 때 이상지혈증의 위험도는 더욱 증가할 것으로 생각되어진다. 비만관련 유전자의 체중에 관한 결과 역시 많은 수의 대상자를 선정하여 이미 언급된 비만관련 유전자들의 상호관계 및 단면적 연구가 아닌 지속적 연구가 필요하겠다. 그러므로 UCP-1 유전자 다형성에 대한 비만관련 연구와 UCP-1 유전자 다형성과 위험인자로써의 식이 또는 기타 환경적 인자가 고 LDL 콜레스테롤혈증의 발병에 어떠한 경로에 영향을 끼치는지 추정할 수 있다면 G allele를 가진 아동에서 환경적 인자의 적절한 통제로 혈중 LDL 콜레스테롤 수준의 증가를 제어하거나 방지하고 나아가 이상지혈증의 방병률을 감소시킬 수 있을 것이다.|Child obesity had continuously increased, was by 10.6% in Korea at 2005, corresponding to increasing mortality with chronic diseases when they are growing up. Many studies suggested that the major cause of circulatory abnormal diseases might be the changing of the eating habits such as changing from Korean Traditional meal to Westernized meal. Obesity is an one of multifactorial diseases caused by the various environmental and genetic factors, explained 33% of weight. We tried UCP-1 and β3AR(β3-adrenergic receptor) as one of obese candidate genes implicated in the pathogenesis of obesity and related metabolic disorders in this study. UCP-1, which plays a major role in thermogenesis, is a proton transporter during uncoupling oxidative metabolism from ATP synthesis and dissipates energy through heat in the inner membrane of mitochondria. It is thought to play some role in fatty acid metabolism in BAT which was reported to play important roles for energy homeostasis in rodent. However, the expression of UCP-1 mRNA and protein were founded in adult human white adipose tissue and skeletal muscle on the new reports. Even though BAT plays a minor role in human, it is still responsible for 1-2% of the energy expenditure, preventing weight gain of 1-2㎏ per year. The human UCP-1 gene has been located to the long arm of chromosome 4(q31). A→G polymorphism at position -3826(A-3826G) in the 5’-flanking region of UCP-1 gene was found and shown to be associated with an increased body weight and body fat gain over time in Quebec Family Study. This polymorphism was also related to the resistance to weight loss during low calorie diet and related metabolic disorders. The main purpose of this study was to develop the individualized nutrigenomic model for the UCP-1 genotype-based obese subjects after the effect of the A-3826G polymorphism of the UCP-1 gene on the biochemical obese parameters and dietary nutrients intakes were investigated in 117 Korean elementary subjects. 1. Subject's weight or height are similar to other study finding. The probability of obesity in elementary school, depended on the five different anthropometric methods of obesity, was 70% by BIA, 47.6% by caliper's, 14.5% by Rohrer index, 32.7% by BMI, 23.6% by BAI methods. We suggested that the appropriated criteria for child obesity should be chosen according to subjects' characteristics or target markers such as the body composition, waist circumference, weights and so on. 2. The frequencies of β3AR genotype were WW type 66.6%, WR type 38.5%, RR type 0.9%. The frequencies of UCP-1 were AA type 15.6%, AG type 57.8% and GG type 26.6%. The frequencies of variant types of β3AR and UCP-1 found in this study was statistically identical to other Korean population studies and Japanese population studies. However the frequencies of UCP-1 genotype was significantly higher than Caucasian population studies, when compared by Fisher’s exact test. 3. Plasma biochemical bac㎏rounds of our subjects were beyond the criteria for the NCEP dyslipidemia. The correlations between plasma biochemistry and anthropometry indicators were significant in LDL and BMI or weight, TG and BMI, weight, BIA or waist, HDL and BMI, Rohrer index, body fat contents or waist. 4. The comparison of physical characteristics and body compositions according to of UCP-1 genotyping were not different in child obesity. However, the blood biochemistry according to UCP-1 genotyping, LDL(p=0.039) and total cholesterol(p=0.063) levels were significantly higher in G allele compared with A allele. 5. The comparison of dietary nutritions intake and INQ(Index of nutritional quality) in different subjects with the genotypes of UCP-1 were increased in A allele. Dietary Ca and Zn intake, important minerals in growth metabolism, were lower than dietary recommended intakes for children. (revised version in 2005) 6. When the subjects were divided into normal group and hyper-LDLcholesterolemia group with the criteria of LDL level, 130㎎/㎗, the distribution of UCP-1 genotype showed significant difference by Fisher’s exact test(p=0.062). The frequency of A allele vs G allele were distributed by 94.6% vs 87.0% in normal group, while significantly increased to 5.4% vs 13.0% in hyper-LDLcholesterolemia group. The frequency of LDL concentration by the quartile distribution(25, 50, 75, 100th) was significantly increased by Linear-by-Linear association test(p-trend=0.032) and by simple regression(r2=0.7995). 7. When the subjects were divided into normal fat intake group and high fat intake group by the criteria of energy from fat of 20%(p=0.05) or 25%(p=0.01), comparison of serum LDL cholesterol level by the UCP-1 gene in dietary fat intake was significantly higher in G allele compared with A allele in high fat intake group. 8. To find risk factors causing hyper-LDLcholesterolemia in Korean elementary subjects, stepwise logistic regression analysis was conducted. Including age, sex, UCP-1 G allele, HOMA, free fatty acid, waist circumference, weight and energy from dietary fat, G allele of UCP-1 gene was finally found to be the most significant risk factor to cause hyperLDLcholesterolemia in children. The probability of hyperLDLcholesterolemia was increased 8.9 times in the UCP-1 G allele based children compared to that in A allele. This study suggested that the G allele of UCP-1 gene can be a significant risk factor of the hyperLDLcholesterolemia and be a risky gene to cause hyperLDLcholesterolemia such as high dietary fat intake and high insulin resistance which was major risk factor of the metabolic syndrome in specially Korean elementary obese subjects.