Citrin deficiency (CD) is a recessive genetic disorder caused by mutations in the citrin gene SLC25A13. CD causes various symptoms related to nutrient metabolism such as urea cycle failure, abnormal amino acid levels, and fatty liver. To understand the pathophysiology of CD, the molecular phenotypes were investigated using induced pluripotent stem cells derived from fibroblasts of CD patient (CD-iPSCs). Here I demonstrate that aberrant mitochondrial β-oxidation may lead to fatty liver in CD patients. CD-iPSCs normally differentiated into hepatocytes, similar to wild-type iPSCs (WT-iPSCs). However, hepatocytes derived from CD-iPSCs (CD-hepatocytes) did not exhibit ureogenesis. Cellular triglyceride and lipid granule levels were significantly increased in CD-hepatocytes compared with WT-hepatocytes. PPAR-α and its target genes which are involved in mitochondrial β-oxidation were downregulated in CD-hepatocytes, and treatment with a PPAR-α agonist partially reduced the lipid accumulation in CD-hepatocytes. In addition, the mitochondria in CD-hepatocytes exhibited abnormal morphologies. Based on these observations, I conclude that the lipid accumulation in CD-hepatocytes results from dysfunctional mitochondrial β-oxidation and abnormal mitochondrial structure.
시트린 결핍증은 미토콘드리아 내막에 존재하며 에너지 대사에 기능하는 단백질 시트린이 유전적 결함으로 인해 결핍되어 나타나는 증상을 통칭한다. 시트린은 주로 간, 신장, 소장 등에 발현하여 세포질과 미토콘드리아 사이에서 아스파르트산과 글루타메이트를 서로 교환하는 역할을 한다. 시트린으로 인해 세포질에 공급된 아스파르트산은 요소회로의 기질로 이용되어 요소를 형성하며, 동시에 두 아미노산의 교환은 세포 내의 산화 환원 항상성 유지와 탄수화물, 지방 대사 간의 균형 유지에 중요한 역할을 한다. 따라서 시트린이 결핍된 환자는 단백질 대사와 요소 형성에 문제가 생기며 이로 인한 암모니아의 축적, 지방간 등의 증상을 보인다. 그러나 복잡한 체내 대사에 긴밀하게 기능하는 시트린의 특성으로 인해 시트린 결핍증 환자가 보이는 증상에 대한 분자생물학적 연구는 아직 많이 알려진 바 없다. 본 연구는 시트린 결핍증 환자의 피부세포로부터 유래된 역분화줄기세포를 이용, 시트린 결핍증의 세포모델을 수립하였으며 시트린 결핍증의 증상 중 지방간을 일으키는 원인이 PPAR-α의 감소로 인한 미토콘드리아 베타 산화의 기능 부전에 있음을 밝혀내었다.
세포를 제공한 환자와 같은 유전적 결함을 가진 시트린 결핍증 특이적 유도만능줄기세포는 정상 줄기세포와 함께 간세포로 분화되었다. 분화되는 과정에서 두 세포간의 차이를 보이지 않았으며 분화된 시트린 결핍 간세포는 정상적으로 간세포 특이적 유전자를 발현하였고 알부민 분비, 글리코젠 축적, 저비중리포단백질 흡수 기능을 정상적으로 수행하였다. 그러나 암모니아 처리 후 생성된 요소의 양을 측정한 결과 시트린 결핍 간세포는 요소회로의 부전으로 인하여 요소를 생성하지 못하였으며 이는 다른 요소회로 효소들의 문제가 아닌 시트린 결핍으로 인해 발생한 것임을 확인하였다. 또한 시트린 결핍 간세포 내의 트리글리세리드 양이 정상 간세포보다 높았으며 실제 환자의 증상을 재현하기 위해 고농도의 포도당을 처리했을 때 지방 축적양은 더 심화되었다. 시트린 결핍 간세포에서의 지방 축적의 이유를 연구하기 위해 지방 대사에 관련된 신호전달체계를 확인한 결과 PPAR-α의 발현량이 정상 간세포에 비해 줄어들어 있는 것을 확인하였다. 지방 축적이 PPAR-α의 감소로 인해 발생한 것인지 알아보기 위해 PPAR-α의 효능제를 처리한 결과 시트린 결핍 간세포에서의 지방 축적량이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. PPAR-α가 관여하는 다양한 지방대사회로 중 미토콘드리아 베타 산화에 관여하는 유전자들이 시트린 결핍 간세포에서 감소해 있음을 실험을 통해 확인하였다. 또한 PPAR-α는 미토콘드리아의 생성과 유지에 관여한다는 것이 이미 알려진 바 있는데, 다수의 비정상적인 구조를 가진 미토콘드리아가 시트린 결핍 간세포에서 발견되었으며 미토콘드리아 막의 단백질이 감소되어 있었다. 이는 PPAR-α의 감소로 인한 베타 산화 기능 부전과 비정상적인 미토콘드리아 구조로 인하여 시트린 결핍 간세포에서의 지방 축적이 발생하였음을 시사한다.
따라서 본 연구는 시트린 결핍증 환자로부터 유래된 유도만능줄기세포가 시트린 결핍증의 세포 모델로 기능할 수 있음을 확인하였고, 시트린 결핍 간세포에서의 지방 축적이 PPAR-α의 감소와 그로 인한 미토콘드리아 구조와 베타산화 기능의 부전으로 인해 발생함을 보였다.
