인슐린유사성장인자 신호전달이 참굴(Crassostrea gigas)의 비만도에 미치는 영향

Ⅰ. 서 론

연체동물의 계절적 대사 활동은 환경조건, 먹이의 종류와 양, 성장 및 산란 등과 같은 복잡한 상호작용에 의해 영향을 받는다. 일반적으로 해양 무척추동물들에서 섭취된 먹이는 글리코겐, 지질 및 단백질의 형태로 에너지가 저장되며 특히, 산란기보다 산란기 이전에 에너지 저장률이 높은 것으로 알려져 있다(Gabbott, 1976). 참굴의 성장과 비만도 역시 양성장의 수온, 염분 및 먹이생물과 같은 환경요인을 비롯하여 생물학적인 요인에 의해서 영향을 받는 것으로 알려져 있으며(Lim et al., 1975), 성숙과 함께 체내에 저장된 에너지를 5~8월까지의 산란기에 소비한 후, 다시 에너지를 저장하는 것으로 알려져 있다(Ruiz et al, 1992; Delaporte et al, 2006). 굴은 산란기 동안 연체부 중량의 최대 50%까지 생식소가 차지하기 때문에, 산란기 직후에는 육질부가 매우 감소지만, 다시 체내에 글리코겐을 축적하기 시작한다. 체내 글리코겐 함량이 높은 10월 이후부터 이듬해 3월 전까지 굴은 식품으로서 판매 소비가 가장 높다(Helm and Bourne., 2004).

Insulin-like growth factor (IGF) system은 IGF, IGF-binding protein (IGF-BP), IGF-receptor (IGF-R)로 이루어져 있다. 이들은 어류에서 성장, 세포증식, 분화 및 번식을 조절하는 데 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있으며(Leibush et al., 1996), 무척추동물에서도 연체부 및 패각의 성장 조절에 관여하는 것으로 알려져 있다(Gricourt et al. 2003).

참굴의 IGF에 관한 연구는 배발생에 따른 IGF-1의 변화(Park and Choi, 2019), 겨울철 굴의 성장과 IGF-1과의 관계(Choi et al., 2018), IGF-1/AKT pathway 조절에 따른 폐각근 성장(Kim and Choi, 2019)을 통하여 개체의 성장에 따른 IGF system의 발현에 관한 연구가 주를 이루고 있다. 한편, 조개류의 성숙과 관련된 연구는 홍합, Mytilus galloprovincialis (Canesi et al., 1999), 진주조개, Pinctada fucata (Shi et al., 2013), 가리비, Patinopecten yessoensis (Feng et al., 2014) 등 매우 다양하게 진행되고 있으나, 참굴이 성장과 성숙기 이후 산란기를 거치는 동안 비만도가 급속히 감소하는 경향에 대하여 IGF-1 signaling과의 비교분석에 관한 연구는 부족한 실정이다.

따라서, 본 연구는 매월 참굴의 비만도를 측정하여 최대값과 최소값을 가지는 시기에 조직별 IGF-1 signal의 경로를 조사하여 참굴의 비만도와 IGF-1 signaling과의 관계를 비교하고자 하였다.

Ⅱ. 연구 방법

1. 채집 및 성장도 분석

본 실험에 이용된 참굴은 통영 자란만(34°51′32.34″ N, 128°12′23.44″ E)에서 연승 수하식 양성 중인 2배체를 11개월 동안 무작위로 매월 40개체씩 채집하여 측정하였다. 채집된 참굴은 각장(shell length, SL), 각고(shell height, SH) 및 각폭(shell width, SW)을 vernier calipers를 사용하여 측정하였고, 전중(total weight, TW) 및 연체부 중량(soft tissue weight, STW)은 electronic balance를 이용해 측정하여([Fig. 1]), 비만도(condition index, CI)와 연체부 중량의 비(tissue weight rate, TWR)를 구하였다([Fig. 2]). 비만도와 연체부 중량의 비는 Choi and Chang (2003)의 계산식을 이용하여 다음과 같이 값을 구했다.

• CI = STW(g)/(SL(mm)×SH(mm)×SW(mm))×1,000
• TWR = (STW(g)/TW(g))×100

[Fig. 1]

Measurements of Pacific oyster, Crassostrea gigas used in the experiments.

[Fig. 2]

Condition index and tissue weight rate of Pacific oyster, Crassostrea gigas used in the experiments.

Ⅲ. 연구 결과 및 고찰

2. IGF 시스템의 발현

생물체의 정상적인 성장과 발달을 위해서는 IGF-1의 발현은 중요하며, IGF-1은 세포 외부에서 세포 표면 막에 IGF-1 receptor (IGF-1R)와 결합하여 활성화된다(Duan, 1997). 이때, IGF-1R의 β-subunit의 tyrosine kinase domain에서 자가인산화가 일어나게 되며, 표적단백질과 결합하여 tyrosine kinase를 활성화시킨다(Hernández-Sánchez et al, 1995). 이후 활성화된 IGF-1R에 결합하는 대표적인 단백질인 insulin-receptor substrate (IRS)가 인산화되고, 인산화된 IRS에 phosphatidylinositol 3 kinase (PI3K)의 p85 regulatory subunit이 결합한다. PI3K는 인산화되어 그 하위인자를 활성화시킴으로써 세포의 증식과 분화를 촉진시킨다(Ande and Mishra.,2009; Rajalingam et al., 2005). 본 연구 결과, 참굴의 조직별로 IGF-1을 비롯한 IGF-1R signal의 발현량은 차이가 나타났으나, 먹이섭식에 가장 먼저 관여하는 아가미에서 IGF-1의 발현이 높았으며([Fig. 3a]), 이후 IGF-1 signal의 경로는 실험에 사용된 모든 조직에서 뚜렷하게 나타났다. 우선, IGF-1, IGF-1R은 비만도가 가장 높았던 5월에서 비만도가 가장 낮았던 10월에 비해 발현량이 높았다([Fig. 3b]). 또한, 참굴의 외투막, 아가미에서 비만도가 높은 5월에 p-Try의 발현이 높게 나타나는 것을 확인하였으며([Fig. 3c]), PI3Kp85의 활성도 원활하게 이루어졌다([Fig. 3d]).

[Fig. 3]

Expression of (a) IGF-1, (b) IGF-1R, (c) phospho-tyrosine (PY99) and (d) PI3Kp85 in mantle edge, gill, labial palp and digestive gland of Pacific oyster Crassostrea gigas. Cell lysate was resolved using SDS-PAGE, and analyzed by western blotting. Me, mantle edge; GI, gill; LP, lavial palp; DG, digestive gland.

한편, mitogen activated protein kinase (MAPK) 경로는 세포의 성장, 분화 등에 대한 생리적 반응을 조절한다(Garrington and Johnson., 1999). 성장인자인 IGF-1에 대한 MAPK의 신호전달은 Ras-Raf-MEK에 의해 ERK가 인산화되어 세포의 생존과 증식, 분열 및 분화를 조절하며, ERK의 인산화를 증가시키고 세포증식에 영향을 미친다(Zhang and Liu., 2002). IGF-1 signal 중 이들의 하위 신호전달 경로에는 어떤 영향을 미치는지 확인하기 위해 Grb2와 Ras-Raf-MEK-ERK 경로를 확인하였다. Ras를 활성화 시켜주는 Grb2는 외투막, 아가미, 순판, 소화맹낭에서 5월보다 10월에 높은 발현을 보였으나 유의차는 나타나지 않았으며([Fig. 4a; P<0.05]), Ras와 Raf도 비슷한 경향으로 발현되는 것을 확인하였다([Fig. 4b, c]). 또한, MEK와 pERK의 발현은 모든 조직에서 비만도와 연체부 중량비가 가장 높은 5월이 낮은 10월에 비해 활성이 높은 것을 확인하였다([Fig. 4d, e]). 이러한 결과는 참굴의 비만도에 Ras가 Raf-MEK-ERK 경로에 관여하여 참굴의 성장에 영향을 미치는 것으로 판단된다.

[Fig. 4]

Expression of (a) growth factor receptor-bound protein 2 (Grb2), (b) Ras, (c) Raf, (d) anti-mitogen-activited protein kinase (MEK) and (e) phospho-extracellular signal-regulated kinase (p-ERK) in mantle edge, gill, labial palp and digestive gland of Pacific oyster Crassostrea gigas. Cell lysate was resolved using SDS-PAGE, and analyzed by western blotting. Me, mantle edge; GI, gill; LP, lavial palp; DG, digestive gland.

Ⅳ. 결 론

참굴의 외투막, 아가미, 순판, 소화맹낭의 각 조직에서 IGF-1R의 활성화는 Ras/Raf/ MAPK 경로를 활성화시켜 성장에 작용하여 최종적으로 비만에 영향을 미치는 것으로 판단된다. 그러나, 향후 transcription factor의 발현을 통하여 핵 내 유전자의 활성을 확인할 필요가 있을 것으로 사료된다.

Acknowledgments

이 논문은 부경대학교 자율창의학술연구비(2019년)에 의하여 연구되었음..

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