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Proteomics를 이용한 운동특이성 단백질 발현과 당수송에 대한 연구
Reports NRF is supported by Research Projects( Proteomics를 이용한 운동특이성 단백질 발현과 당수송에 대한 연구 | 2004 Year 신청요강 다운로드 PDF다운로드 | 김효정(한국체육대학교) ) data is submitted to the NRF Project Results
Researcher who has been awarded a research grant by Humanities and Social Studies Support Program of NRF has to submit an end product within 6 months(* depend on the form of business)
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  • Researchers have entered the information directly to the NRF of Korea research support system
Project Number G00010
Year(selected) 2004 Year
the present condition of Project 종료
State of proposition 재단승인
Completion Date 2008년 02월 29일
Year type 결과보고
Year(final report) 2008년
Research Summary
  • Korean
  • 연구과제명 변경:Proteomics를 이용한 운동 특이성 단백질 발현과 당수송에 대한 연구<사례 1>대퇴부위 저항성 트레이닝 후 프로테오믹스(proteomics) 방법에 의한 혈청과 근육조직 내 protein 발현 분석. 이 연구는 저항성 트레이닝에 의해 근육 조직과 혈액 내에서 변화되는 protein의 발현을 분석 및 비교하고자 수행되었다. 건강한 남성(26-30세)을 대상으로 12주간 대퇴부위를 집중적으로 강화시키는 훈련 프로그램(squart, leg press, leg extension; 4 sets/exercise, 8 RM/set, 2 times/wk)을 시행하였으며 전산화된 단층촬영을 통해 근횡단면적(cross sectional area) 변화를 측정하였다. 근생검과 채혈을 통해 훈련 전․후의 근육 조직과 혈청에서 발현이 증가되는 단백질의 profile을 밝히고 각 단백질들의 기능과 조직별 및 훈련에 의한 차이를 비교하였다. 단백질 발현 변화는 two-dimensional electrophoresis (2DE)로 분석하였으며 변화된 단백질을 구명하기위해 MALDI-TOF (matrix-assisted laserdesorp- tion/ionization time of flight) 방법을 이용하였다. 대퇴부위 저항성 트레이닝에 의해 대퇴근육 횡단면적이 유의하게 증가하였으며(192.80±6.50 cm2 vs 215.15±5.55 cm2, p<.05) 트레이닝 전에 비해 혈청에서 2배 이상 발현이 증가한 protein은 hemopexin precursor, human albumin, haptoglobin, immunoglobulin gamma-1 heavy chain constant region, 그리고 complement C4A precursor로 나타났다. 한편, 근육 조직에서 증가된 단백질은 NADH dehydrogenase Fe-S protein 3, heat shock 27kDa protein 1, actin alpha 1 skeletal muscle protein, 그리고 ubiquitin-conjugating enzyme E2N으로 분석되었다. 종합하면, 각각의 단백질들의 기능을 고려할 때 저항성 트레이닝에 의해 혈액에서는 주로 면역이나 protein 수송과 관련된 단백질이 증가하는 반면, 근육 조직 내에서는 대사(metabolism)와 조직 합성에 관련된 단백질이 증가하는 결과를 나타냈다. 또한, 트레이닝을 수행하는 특정 근육내의 단백질 발현 현상과 인체 전체를 순환하는 혈액에서의 변화는 각각 독립적으로 나타나고 있음을 시사한다.
    주요어 : 프로테오믹스, 저항성 트레이닝, 근육, 혈장, 단백질 발현, 2차원 전기영동, MALDI-TOF 분석법
    <사례 2>
    이 연구는 저항성 트레이닝에 의한 근육내 carnosine 농도 변화를 중심으로 carnosine 전구체인 histidine 과 β-alanine 및 carnosine과 동일한 수송체를 이용하는 taurine 농도에 미치는 영향을 구명하고자 수행되었다.
    1. 12주간의 저항성 트레이닝 실시에 따라 체중과 제지방 체중에는 변화가 없었으나 CT 촬영으로 측정한 대퇴근의 횡단면적이 11.6% 증가하는 근비대 현상을 나타냈다(192.8±6.5 vs 215.2±5.5, p<.05).
    2. 12주 저항성 트레이닝 전․후 carnosine 의 전구체인 histidine 과 β-alanine의 농도에는 차이가 없었다.
    3. Carnosine 농도는 트레이닝 전에 비해 32.1% 증가하였으며 모든 피험자에게서 증가를 확인 할 수 있었으며 평균 증가량(delta)은 8.43 ± 3.02 mmol․kg-1 DW인 것으로 나타났다(p<.01).
    4. Taurine 농도는 트레이닝 전에 비해 22% 유의하게 증가하였다(p<.05).
    이상의 결과는 저항성 트레이닝이 근육 내 carnosine 농도를 증가시킴으로써 고강도 운동 시 젖산축적과 함께 발생하는 근육내 산도 저하를 효과적으로 완충시킬 가능성을 보여주고 있으며 이러한 carnosine 증가가 근육 조직 내에 존재하는 histidine 과 β-alanine 및 taurine 농도에는 부정적인 영향을 미치지 않음을 알 수 있었다. 따라서 무산소성 운동 종목 선수들의 경기력을 향상시키기 위해서는 carnosine 농도를 최대한 높일 수 있는 과학적인 훈련 방법에 대한 연구가 수행되어야 할 필요성을 제시하고 있다.

  • English
  • <사례 1>Kim, H.J. The effect of thigh muscle resistance training on serum and muscle protein profiles by proteomic analysis in thigh muscle. Exercise science. The present study was performed to investigate the effect of 12 weeks of resistance training on skeletal muscle and serum protein profiles of thigh muscle in five healthy volunteers (26-30yrs). Percutaneous muscle biopsies and computed tomography were obtained from the same portion of thigh muscle at pre- and posttraining. Blood sampling after overnight fast was taken at pre and post of training. Resistance training regimen was composed of three kinds of weight lifting exercise (squart, leg press, leg extension; 2 sessions/wk, 4 sets/exercise, 8RM/set, 2 times/wk) for 12weeks. Protein profiles were compared using by two-dimensional electrophoresis (2DE) technique and the differentially expressed spots were identified by matrix-assisted laser desorption/ionization time of flight (MALDI-TOF) analysis. Computed tomographic scans revealed the increase of the thigh muscle cross sectional area (CSA, 192.80± 6.50cm2 vs 215.15±5.55cm2, p<.05). The significantly increased (more than 200%) protein profiles in serum were hemopexin precursor, human albumin, haptoglobin, immunoglobulin gamma-1 heavy chain constant region, and complement C4A precursor. On the other hand up regulated spots were NADH dehydrogenase Fe-S protein 3, heat shock 27kDa protein 1, actin alpha 1 skeletal muscle protein, and ubiquitin in muscle tissue.
    These results suggest that resistance exercise training, which increase muscle CSA by 11.6%, is associated with quantitave changes of protein profiles and these effects are independent from changing pattern of serum protein profiles.

    key word : resistance training, proteomic analysis, 2DE (2-dementional electro phoresis), MALDI-TOF (matrix-assisted laser desorption/ionization-time-of flight)

    <사례 2> The present study was performed to investigate muscle buffer capacity after 12 weeks of resistance training. Five healthy volunteers (26-30yrs) were participated in the present study. Percutaneous muscle biopsies and computed tomogram were obtained from the same portion of vastus lateralis muscle at pre- and post-resistance training. Resistance training regimen was composed of three kinds of weight lifting exercise (squart, leg press, leg extension; 2 sessions/wk, 4 sets/exercise, 8RM/set, 2 times/wk) for 12weeks. Extracts of biopsies of vastus lateralis were analysed for the content of carnosine, beta alanine, histidine and taurine using HPLC..Computed tomographic scans revealed an increase in cross sectional area of the thigh muscle (CSA, 192.80± 6.50cm2 vs 215.15±5.55cm2, p<.05). Both carnosine and taurine content were significantly increased by 31%(p<.01) and by 22% (p<.05), respectively. No alteration was occurred in histidine and β-alanine content after 12 week of resistance training.
    In summary, the present study demonstrated that resistance exercise training induced a quantitave increase of carnosine content, which is suggesting an increase in intracellular buffering capacity, and may be associated with an increase in muscle CSA by 12%. The prospective of the present study supported the notion that power style resistance training may be more preferable measures to induce an increase in muscle buffer capacity.

    key word : resistance training, carnosine, histidine, taurine, buffering capacity
Research result report
  • Abstract
  • <연구과제명 변경:Proteomics를 이용한 운동 특이성 단백질 발현과 당수송에 대한 연구> Human genome project에 의해 인간의 유전자(genome) 지도가 완성된 이후 유전자에 대한 연구가 급속히 발전함으로써 스포츠 분야에서도 유전적인 특징을 접목하는 연구가 가능하게 되었다. 그러나 인간이 가진 유전자의 서열이 이미 밝혀졌다고 하더라도 여기에서 발현되는 단백질의 기능을 모른다면 이 정보는 유용성이 없게 된다. 즉, 동일한 유전자에서 만드는 protein이 다양하기 때문에 특정한 유전자에서 발현되는 단백질이 무엇인가에 따라 인체 내에서 각각 다른 기능을 나타내게 되는 것이다.

    그러므로 최근의 분자생물학적 연구는 특정 유전자가 합성하는 여러 종류의 protein이 각각 어떠한 기능을 하는지를 밝혀내야만 하는 과제에 직면해 있는 상황이다.
    따라서 연구자는 "Proteomics를 이용한 운동 특이성 단백질 발현과 당수송에 대한 연구"라는 주제로 3년간의 연구를 진행하여 12편의 논문은 SCI journal 및 한술진흥재단 등재지에 게재하였다. 이중 5편의 결과물에 학술진흥재단 지원을 명시하였고 현재 2편은 SCI journal에 심사를 위해 제출해놓은 상황이다.

    각각의 연구물과 초록은 1,2,3년차 보고서를 통해 제출하였으며 연구는 1) 당뇨와 관련된 단백질들의 발현이 운동 훈련에 따라 어떠한 차이를 보이는지 밝힘과 아울러 유전적 영향을 실험을 통해 검증 2) 인체의 노화와 피로현상을 일으키는 수소이온을 중화시키는 완충단백질(beta-alanine, histidine, carnosin) 발현에 대한 일련의 연구를 통해 12주 미만의 운동트레이닝을 완충단백질 농도를 증가시키지 못하므로 보충요법이 노화지연(항산화효과)과 운동능력에 긍정적 효과를 미침 3) 운동중 발생하는 골격근과 관절의 손상지표인 CPK, COMP 변화를 검증함으로써 상해를 최소화시키는 운동방법(주행거리, 시간) 과 회복에 소요되는 시간 구명 등을 중심으로 3년간의 연구를 수행하였다.
    제한된 지면때문에 각각의 초록(14편)을 정리하지는 못하지만 내용을 종합하면 노화를 지연시키고, 운동능력을 향상시키며 대사성 질환을 예방 및 관리하기위한 과학적인 운동방법에 대한 내용으로 요약할 수 있다.
    <초록 사례> Abstract김효정. 대퇴부위 저항성 트레이닝 후 프로테오믹스(proteomics) 방법에 의한 혈청과 근육조직 내 protein 발현 분석. 이 연구는 저항성 트레이닝에 의해 근육 조직과 혈액 내에서 변화되는 protein의 발현을 분석,비교하고자 수행되었다. 건강한 남성(26-30세)을 대상으로 12주간 대퇴부위를 집중적으로 강화시키는 훈련 프로그램(squart, leg press, leg extension; 4 sets/exercise, 8 RM/set, 2 times/wk)을 시행하였으며 전산화된 단층촬영을 통해 근횡단면적(cross sectional area) 변화를 측정하였다. 근생검과 채혈을 통해 훈련 전․후의 근육 조직과 혈청에서 발현이 증가되는 단백질의 profile을 밝히고 각 단백질들의 기능과 조직별 및 훈련에 의한 차이를 비교하였다. 단백질 발현 변화는 two-dimensional electrophoresis (2DE)로 분석하였으며 변화된 단백질을 구명하기위해 MALDI-TOF (matrix-assisted laserdesorp- tion/ionization time of flight) 방법을 이용하였다. 대퇴부위 저항성 트레이닝에 의해 대퇴근육 횡단면적이 유의하게 증가하였으며(192.80±6.50 cm2 vs 215.15±5.55 cm2, p<.05) 트레이닝 전에 비해 혈청에서 2배 이상 발현이 증가한 protein은 hemopexin precursor, human albumin, haptoglobin, immunoglobulin gamma-1 heavy chain constant region, 그리고 complement C4A precursor로 나타났다. 한편, 근육 조직에서 증가된 단백질은 NADH dehydrogenase Fe-S protein 3, heat shock 27kDa protein 1, actin alpha 1 skeletal muscle protein, 그리고 ubiquitin-conjugating enzyme E2N으로 분석되었다. 종합하면, 각각의 단백질들의 기능을 고려할 때 저항성 트레이닝에 의해 혈액에서는 주로 면역이나 protein 수송과 관련된 단백질이 증가하는 반면, 근육 조직 내에서는 대사(metabolism)와 조직 합성에 관련된 단백질이 증가하는 결과를 나타냈다. 또한, 트레이닝을 수행하는 특정 근육내의 단백질 발현 현상과 인체 전체를 순환하는 혈액에서의 변화는 각각 독립적으로 나타나고 있음을 시사한다.
  • Research result and Utilization method
  • 연구지원 기간 3년동안 수행된 14편(2편은 심사중, 학진 지원 명시 4편 이상)의 연구결과물과 초록은 1,2,3년차 보고서를 통해 제출하였으며 연구 결과를 요약하면 다음과 같다. 1) 규칙적인 운동은 당뇨병에 의한 유전적 영향을 최소화시킴 2) 노화나 피로현상을 일으키는 수소이온을 중화시키는 완충단백질(beta-alanine, histidine, carnosin) 발현에 대한 일련의 연구를 통해 장기간의 트레이닝만이 근육내 완충단백질 농도를 증가시킬 수 있으므로 12주 미만의 운동트레이닝일 경우 보충요법이 노화지연(항산화효과)과 운동능력에 긍정적 효과를 미침 3) 운동중 발생하는 골격근과 관절의 손상지표인 CPK, COMP 변화를 검증함으로써 상해를 최소화시키는 운동방법(주행거리, 시간) 과 회복에 소요되는 시간을 밝힘. 따라서 이러한 연구들을 통해 이상적인 운동 방법을 찾아내는 과학적인 시도를 해왔으며 대사성 질환과 관련된 보건, 의료 분야나 운동 트레이닝이 인체에 미치는 영향에 대해 분자생물학적 수준에서 정밀한 정보를 제공함으로써 과학적인 운동 방법을 연구하기위해 가치있는 정보로 이용될 수 있을 것이다.
    <연구결과 사례>이 연구의 결과를 종합하면 대퇴부위를 강화하는 12주간의 저항성 트레이닝에 의해 대퇴근육의 횡단면적이 유의하게 증가하였으며(192.80±6.50 cm2 to215.15±5.55 cm2, p<.05) 트레이닝 전에 비해 혈청에서 2배 이상 발현이 증가한 protein은 hemopexin precursor, human albumin, haptoglobin, immunoglobulin gamma-1 heavy chain constant region, 그리고 complement C4A precursor 로 나타났다. 한편, 근육 조직에서 증가된 단백질은 NADH dehydrogenase Fe-S protein 3, heat shock 27kDa protein 1, actin alpha 1 skeletal muscle protein, 그리고 ubiquitin-conjugating enzyme E2N으로 분석되었다.
    결과적으로 저항성 트레이닝에 의해 혈액에서는 주로 면역이나 protein 수송과 관련된 단백질이 증가하는 반면 근육 조직 내에서는 대사(metabolism)와 조직 합성에 관련된 단백질이 증가하였으며 트레이닝을 수행하는 특정 근육내의 단백질 발현 현상과 인체 전체를 순환하는 혈액에서의 발현 변화는 각각 독립적인 것으로 밝혀졌다.
    이 연구는 저항성 트레이닝 실시에 따라 주로 동원되는 주동근의 근육조직과 혈액에서의 단백질의 발현 양상을 종합적으로 비교 및 분석하는 첫 번째 시도일 것이다. 이상의 연구를 통해 밝혀진 결과는 운동 트레이닝이 인체에 미치는 영향에 대해 분자생물학적 수준에서 정밀한 정보를 제공함으로써 과학적인 운동 방법을 연구하기위한 기초 지식으로서 가치를 지닐 수 있을 것이다.
  • Index terms
  • Proteomics, Carnosine, Histidine, beta-alanine, exercise etc. (프로테오믹스, 저항성 트레이닝, 근육, 혈장, 단백질 발현, 2차원 전기영동, MALDI-TOF 분석법)
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