Effects of Different Types of Dietary Fat on Muscle Atrophy According to Muscle Fiber Types and PPAR Expression in Hindlimb-Immobilized Rats

This study investigated how dietary fat affects muscle atrophy and lipid metabolism in various muscles during hindlimb immobilization in rats. Twenty-four male Sprague?Dawley rats had their left hindlimb immobilized and were divided into four groups by dietary fat content and composition. The contralateral hindlimb (control) was compared with the immobilized limb in all dietary groups. Rats (n = 6/group) were fed a 4% corn oil diet (CO), 2.6% corn oil + 1.4% fish oil diet (FO), 30% corn oil diet (HCO), or a 30% beef tallow diet (HBT)after their hind limbs were immobilized for 10 days. Data were collected for the gastrocnemius, plantaris and soleus muscles. Muscle atrophy was induced significantly after 10 days of hindlimb immobilization, resulting in significantly decreased muscle mass and total muscle protein content. The protein levels of peroxisome proliferator activated receptor ${\delta}$ (PPAR${\delta}$) in the plantaris, gastrocnemius, and soleus increased following hindlimb immobilization irrespective of dietary fat intake. Interestingly, the PPAR${\delta}$ mRNA level in the plantaris decreased significantly in all groups and that in the FO group was lower than that in the other groups. The soleus PPAR${\delta}$ mRNA level decreased significantly following hindlimb immobilization in the FO group only. Muscle carnitine palmitoyl transferase 1 (mCPT1) mRNA level was not affected by hindlimb immobilization. However, the mCPT1 mRNA level in the FO group was significantly lower in the plantaris but higher in the soleus than that in the other groups. The pyruvate dehydrogenase kinase 4 (PDK4) mRNA level in the plantaris decreased significantly, whereas that in the soleus increased significantly following hindlimb immobilization. The plantaris, but not soleus, PDK4 mRNA level was significantly higher in the FO group than that in the CO group. The increased PPAR${\delta}$ protein level following hindlimb immobilization may have suppressed triglyceride accumulation in muscles and different types of dietary fat may have differentially affected muscle atrophy according to muscle type. Our results suggest that ${\omega}$-3 polyunsaturated fatty acids may suppress muscle atrophy and lipid accumulation by positively affecting the expression level and activity of PPAR${\delta}$ and PPAR${\delta}$-related enzymes, which are supposed to play an important role in muscle lipid metabolism.

지방의 종류가 다른 식이의 섭취가 하지고정 흰 쥐의 근 섬유별 근 위축과 PPAR 활성에 미치는 영향

본 연구는 지방의 종류와 함량이 다른 식이의 섭취가 하지 고정 흰 쥐의 근육 내 화학 조성, PPAR${\delta}$ 및 관련 효소의 발현에 미치는 영향을 근육 종류에 따라 알아 보기 위해 수행되었다. 연구결과를 요약하면 다음과 같다. 1) 10일 간의 하지고정과 식이 중재에 의해 실험동물의 체중, 식이섭취량 및 혈청 지방산에는 유의적인 차이가 없었다. 2) 10일 간의 하지고정에 따라 근육 양은 하지 근육 종류에 따라, 각각 soleus 에서 약 57%, plantaris에서 약 39% 그리고 gastrocnemius에서 약 38%로 달리 감소되었다 (p < 0.01). 특히 soleus에서 가장 많은 감소 현상을 보였다. 이러한 감소 경향은 식이 지방의 종류 및 함량에 영향을 받지 않았다. 3) 10일 간의 하지고정에 따라 근육 내 조성 변화의 경우, gastrocnemius에서 분석한 근육 총 단백질량은 정상 다리(contralateral)와 비교하여 하지고정에 따라 유의적으로 감소 (CO, 41%; FO, 40%; HCO, 37%; HBT, 38%)하였다. Plantaris, gastrocnemius에서 분석한 근육 내 중성지방량의 경우에도, 정상다리와 비교하여 하지고정에 따라 plantaris(CO, 39%; FO, 27%; HCO, 38%; HBT, 35%)와 gastrocnemius(CO, 38%; FO, 34%; HCO, 33%; HBT, 34%) 모두에서 유의적으로 감소하였다. 그러나, 근 단백질량과 중성지방량의 감소 현상은 모두 식이군 간의 차이는 나타나지 않았다. 4) PPAR${\delta}$ 단백질은 하지고정에 의해 plantaris에서는 유의적으로 증가 (p < 0.05)하였고, gastrocnemius, soleus에서는 증가하는 경향을 나타내었다. PPAR${\delta}$ 단백질과는 반대로 PPAR${\delta}$ mRNA는 하지고정에 의해 plantaris에서는 유의적으로 감소 하였고, soleus에서는 FO군만 PPAR${\delta}$ mRNA 발현 양이 유의적으로 감소하였다. PPAR${\alpha}$의 경우 하지고정에 따라 두 근육에서 모두 영향을 받지 않았다. mCPT1 mRNA는 하지고정에 따라 soleus와 plantaris 모두에서 변화가 없었지만, PDK4 mRNA는 하지고정에 따라 plantaris에서 유의적으로 감소하였고, 반대로 soleus에서는 유의적으로 증가하였다. 5) PPAR${\delta}$ 단백질은 세 근육의 FO군에서 모두 크게 증가하는 경향을 보였지만, 식이에 따른 유의적인 차이를 보이지는 않았다. PPAR${\delta}$ mRNA의 경우, plantaris의 CO군과 비교해 FO군에서 mRNA 발현이 유의적으로 낮은 수준이었고, 다른 군에서는 유의적인 차이가 없었다. Soleus의 PPAR${\delta}$ mRNA는 CO군과 비교해 FO, HCO 그리고 HBT군 모두에서 발현 양이 유의적으로 낮은 수준을 보였다. 반면, PPAR${\alpha}$의 mRNA 발현은 두 근육에서 모두 식이에 의한 영향을 받지 않았다. mCPT1 mRNA 발현의 경우, plantaris에서는 CO군과 비교해 FO군에서 발현 양이 유의적으로 낮은 수준을 보였지만, 고지방 식이 군에서는 유의적인 차이가 없었다. 반대로, soleus에서는 CO군과 비교해 FO군에서 발현이 유의적으로 높은 수준을 보였지만, 고지방 식이 군에서는 CO군과 비교해 유의적인 차이는 없었다. PDK4 mRNA의 경우, plantaris에서는 CO군과 비교해 FO군의 mRNA 발현 양이 유의적으로 높은 수준을 보였다. 고지방 식이 군에서는 CO군과 비교해 발현 양의 유의적인 차이가 없었다. 한편, soleus에서는 FO군에서 발현이 낮은 경향을 보였을 뿐, 식이에 따른 mRNA 발현에는 모든 군에서 유의적인 차이가 없었다. 본 연구에서는 10일간의 하지고정에 의해서 모든 근육에서 유의적인 근 위축이 유발되었고, 이에 따라 근육 양의 감소와 함께 근육 총 단백질의 유의적인 감소가 나타났다. 하지만 근육 총 단백질과 중성지방의 유의적인 감소에도 불구하고, 하지고정에 의한 근육 내 중성지방 축적은 일어나지 않았다. 이는 하지고정에 의해 모든 근육에서 증가된 PPAR${\delta}$ 단백질이 하지고정 초기에 근육 내 중성지방의 축적을 억제했을 것으로 사료된다. 결론적으로, 하지고정에 따른 근 위축에 의해 근육 내 지질대사를 조절하는 PPAR${\delta}$의 mRNA 발현은 감소하였지만, ${\omega}$-3 PUFA를 함유한 어유 식이는 PPAR${\delta}$ 단백질 및 관련 효소의 발현 수준과 활성에 근 섬유별특성에 따라 긍정적인 영향을 줌으로써 근육 내 지질축적을 비롯한 근위축의 경감에 도움을 줄 수 있다는 가능성을 제시하였다.