Effect of circadian rhythm and exercise order on obesity-related cardiovascular disease risk factors, upper and lower extremity muscle functions and skeletal muscle metabolism

Abstract

본 연구의 목적은 일주기 리듬과 운동순서에 따른 복합운동프로그램이 비만 여성의 비만 관련 심혈관질환 위험인자, 상·하지 근기능과 동물의 골격근 대사에 미치는 영향을 규명하는 것이다. 연구 Ⅰ에서는 비만 여성을 대상으로 임상 연구를 수행하였고, 연구 Ⅱ에서는 비만 쥐를 사용하여 동물실험을 수행하였다. 본 연구 Ⅰ의 목적은 일주기 리듬과 운동순서에 따른 8주간 복합운동이 프로그램이 비만 여성의 신체구성, 비만 관련 심혈관질환 위험요인, 상·하지 근기능 및 수면의 질에 미치는 영향을 규명하는 것이다. 본 연구의 참여를 위해 55명이 모집되었고 대상자 선정 기준에(체지방률 30% 미만, 극심한 아침과 저녁형 인간은 제외함) 부합하지 않은 5명을 제외한 50명이 각 그룹에 무선 배정되었습니다. 실험 참여 도중 개인적인 사정과 운동 참여율 기준(80% 이하)에 따라 6명이 제외되었다. 최종 44명의 비만 여성이 본 연구의 분석에 사용되었다. 본 연구의 집단 구성은 비만 통제 집단(obesity control group, OCG, n=10), 아침에 유산소 운동 후 저항성 운동 집단(aerobic-resistance exercise in the morning group, MARG, n=9), 아침에 저항성 운동 후 유산소 운동 집단(resistance-aerobic exercise in the morning group, MRAG, n=8), 저녁에 유산소 운동 후 저항성 운동 집단 (aerobic-resistance exercise in the evening group, EARG, n=9) 그리고 저녁에 저항성 운동 후 유산소 운동 집단(resistance-aerobic exercise in the evening group, ERAG, n=8) 총 5개 집단이다. 본 연구의 복합운동프로그램은 주 3회 8주간 트레드밀 운동(30분)과 웨이트 트레이닝(30분)으로 구성되었다. 일주기 리듬과 운동순서에 따른 복합운동 프로그램의 효과를 알아보기 위해 실험 참여 전, 4주, 8주 후에 신체구성, 기초체력, 비만 관련 심혈관질환 위험인자, 상·하지 근기능 및 수면의 질을 분석하였다. 집단과 시기 간 상호작용을 확인하기 위해 이원반복측정 분산분석을 실시하였으며, 집단 간 차이는 일원 배치 분산분석 후 Scheffe 사후 검정을 실시하였다. 본 연구 결과 복합운동 프로그램은 체중과 신체구성 변화에 통계적으로 유의한 차이는 없었으나, 본 운동 프로그램은 모든 운동 집단에서 긍정적으로 변화하는 경향을 보였다. 근력, 유연성, 심폐지구력은 집단과 시기 간 상호작용 효과는 없었으며, 근지구력은 8주에서 OCG보다 EARG가 유의하게 높았다. 비만 관련 심혈관질환 위험인자는 모든 집단에서 유의한 차이가 없었다. 전면 및 측면 복부 파워 검사를 포함한 상지 근기능은 집단과 시기 간 유의한 차이를 보이지 않았지만, 허리 굴곡 근지구력 검사에서는 8주에서 OCG보다 EARG가 유의하게 높게 나타났다. 앉았다 일어서기 검사 결과는 8주에서 OCG보다 EARG가 유의하게 높았으며, 피치버그 수면의 질 지수는 OCG보다 모든 운동 집단에서 8주에 유의하게 낮았다. 본 연구 결과는 저녁에 유산소 운동 후 저항성 운동순서가 비만 여성의 근지구력, 상·하지 근기능과 같은 체력을 증가시킬 뿐만 아니라, 규칙적인 운동은 운동순서와 시간과는 무관하게 수면의 질을 향상시킬 수 있다는 과학적인 새로운 증거를 제시한다. 두 번째 연구의 목적은 일주기 리듬과 운동순서에 따른 복합운동이 비만 쥐의 장무지굴근과 가자미근에서의 근비대 및 미토콘드리아 생합성 관련 단백질 발현 수준에 미치는 영향을 규명하는 것이다. 본 연구의 집단 구성은 무작위 배정 방법을 통해 비만 통제 집단(obesity control group, OCG, n=6), 아침에 유산소 운동 후 저항성 운동 집단(aerobic-resistance exercise in the morning group, MARG, n=6), 아침에 저항성 운동 후 유산소 운동 집단(resistance-aerobic exercise in the morning group, MRAG, n=6), 저녁에 유산소 운동 후 저항성 운동 집단(aerobic-resistance exercise in the evening group, EARG, n=6), 저녁에 저항성 운동 후 유산소 운동 집단(resistance-aerobic exercise in the evening group, ERAG, n=6)으로 구분되었다. 비만 쥐들은 복합운동 프로그램인 트레드밀 운동(30분)과 사다리 오르기 운동(30분)을 주 3회 8주간 실시하였다. 장무지굴근의 횡단면적을 평가하기위해 이중 면역형광염색 기법을 사용하였으며, 근비대 및 미토콘드리아 생합성 관련 단백질의 발현은 웨스턴 블롯 기법을 통해 확인하였다. 집단 간 차이를 확인하기 위해 일원배치 분산분석을 실시한 후 Tukey 사후검정을 실시하였다. 본 연구 결과 장무지굴근의 횡단면적은 OCG보다 MARG, ERAG, EARG에서 유의하게 증가하였으며, 이중 EARG가 가장 높았다. 장무지굴근내 IGF-1, PI3K, p-ERK1/2와 같은 근비대 관련 단백질의 발현 수준은 다른 집단에 비해 EARG가 가장 높았다. EARG는 복합운동 8주 후 다른 집단에 비해 p-Akt, p-mTOR의 발현을 가장 높게 상향 조절하였다. 미토콘드리아 생합성 관련 단백질인 p-AMPK, CaMK는 8주간의 복합운동 후 MRAG에서 높은 발현 수준을 보였다. 또한, PGC-1α는 다른 집단보다 EARG와 MRAG에서 높게 발현되었다. 갈색 지방화와 관련된 유전자인 FNDC5는 복합운동 후 집단 간 유의한 차이가 있는 것으로 나타났다. 본 연구 결과는 저녁에 유산소 운동 후 저항성 운동이 근비대에 대한 세포 생물학적 변화를 활성화시키고, 아침에 저항성 운동 후 유산소 운동은 미토콘드리아 생합성의 증가를 통해 유산소성 기능을 조절할 수 있다는 새로운 정보를 제공합니다.

The purpose of this study was to determine the effect of combined exercise program according to circadian rhythm and exercise order on cardiovascular disease risk factors, upper and low extremity muscle functions, and skeletal muscle metabolism in human and animals with obesity. This study consists of two experiments, one is a clinical trial targeting obese women (study Ⅰ) and the other is animal experiment using obese rats (study Ⅱ). In study Ⅰ, we determined the effect of combined exercise program according to circadian rhythm and exercise order on body composition, cardiovascular disease risk factors, skeletal muscle functions and sleep quality in obese women. Fifty five women were recruited to participate in this study, and five participants who did not meet the target selection criteria (be ruled out body fat percentage <30%, definitely morning and evening type) were excluded. Fifty obese women were randomly assigned to each group. During the experiment, six participants were excluded according to personal reasons and exercise participation rate criteria (80% or less). Finally, 44 obese women took part in the analysis of this study. All subjects were divided into 5 groups; the obesity control group (OCG, n=10), aerobic-resistance exercise in the morning group (MARG, n=8), resistance-aerobic exercise in the morning group (MRAG, n=9), aerobic-resistance exercise in the evening group (EARG, n=8), resistance-aerobic exercise in the evening group (ERAG, n=9). Combined exercise program consisted of treadmill exercise (30 min) and weight training (30 min) 3 days per week for 8 weeks. To investigate the effect of combined exercise program according to circadian rhythm and exercise order, body composition, physical fitness, obesity-related cardiovascular disease risk factors, upper and lower extremity muscle functions were analyzed previous, 4 and 8 weeks after the experiment. Significant differences between group and period were determined with two-way repeated ANOVA. And differences between groups were analyzed performing a one-way ANOVA followed by Scheffe post-hoc test. As the result of this study, combined exercise program did not significantly result in a change in body weight and body composition, but, this program showed positive changes in all exercise groups. The muscular strength, flexibility, cardiorespiratory endurance were no significant difference between group and periods, but muscular endurance was significantly higher in EARG at 8 weeks compared to OCG. Obesity-related cardiovascular disease risk factors were no significant difference among all groups. Upper extremity muscle functions including front and side abdominal power test did not show a significant interaction between group and periods. trunk flexor endurance test was significantly higher in EARG at 8 weeks than in OCG. Sit to stand test was significantly higher in EARG at 8 weeks than in OCG between group and periods. Pittsburgh sleep quality index was significantly lower in all exercise groups at 8 weeks than in OCG. Our findings suggested new evidence that aerobic-resistance exercise order in evening might increase physical fitness such as muscular endurance, upper and lower extremity muscle functions in obesity women, as well as that sleep quality might be improved by performing regular exercise program regardless of exercise order and time. The purpose of this second study was to determine the effect of combined exercise according to circadian rhythm and exercise order on the expression level of proteins related with muscle hypertrophy and mitochondrial biogenesis in flexor pollicis longus and soleus muscle of obese rats. The random assignment method was applied, and all experiment rats (n=30) divided into five groups; the obesity control group (OCG, n=6), aerobic-resistance exercise in the morning group (MARG, n=6), resistance-aerobic exercise in the morning group (MRAG, n=6), aerobic-resistance exercise in the evening group (EARG, n=6), resistance-aerobic exercise in the evening group (ERAG, n=6). Combined exercise program was performed at a treadmill exercise (30 min) and ladder climbing exercise (30 min) 3 days per week for 8 weeks. For evaluating cross-sectional area (CSA) of flexor pollicis longus muscle, we applied a double immunofluorescence staining technique. And gene expression of muscle hypertrophy and mitochondrial biogenesis-related factors was identified by western blot analysis. Differences between groups were analyzed performing a one-way ANOVA followed by Tukey post-hoc test. The CSA of the flexor pollicis longus was significantly increased in MARG, EARG, and ERAG than in OCG. Among the groups that showed positive change, EARG had the largest CSA of the flexor pollicis longus. Muscle hypertrophy-related proteins such as insulin like growth factor 1 (IGF-1), phosphoinositide 3-kinases (PI3K) and phosphorylated extracellular signal-regulated kinase 1/2 (p-ERK1/2) in the flexor pollicis longus were higher in EARG compared to those in the other groups. EARG dramatically upregulated expression levels of phosphorylated protein kinase B (p-Akt) and phosphorylated mammalian target of rapamycin (p-mTOR) 8 weeks after combined exercise compared to those in other groups. Mitochondrial biogenesis-related proteins as such phosphorylated AMP-activated protein kinase (p-AMPK) and Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase (CaMK) were meaningfully upregulated expression levels in the MRAG after 8-week combined exercise. Also, Peroxisome proliferator-activated receptor-gamma coactivator-1 alpha (PGC-1α) was significantly increased in EARG and MRAG than other groups. Fat browning-related gene, FNDC5, in the soleus muscle was showed significantly difference between groups after combined exercise. Present findings provide new information that aerobic exercise followed by resistance exercise in evening might activate cell biological changes on muscle hypertrophy and resistance exercise followed by aerobic exercise in morning might regulate aerobic functions via increase of mitochondria biogenesis.