초록
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신경질환(Neurological disorders)은 신경 계통(Nervous system)에 문제가 발생하였을 때 생기는 질환이다. 신경질환의 종류로는 경도인지장애(Mild cognitive impairment)와 알츠하이머병(Alzheimer’s disease)과 같이 인지기능장애를 수반하는 질환과, 조현병(Schizophrenia), 약물 중독(Drug addiction) 같은 정신장애를 수반하는 질환 그리고 헌팅턴병(Huntington’s disease), 파킨슨병(Parkinson’s disease)과 같이 심각한 운동장애...
신경질환(Neurological disorders)은 신경 계통(Nervous system)에 문제가 발생하였을 때 생기는 질환이다. 신경질환의 종류로는 경도인지장애(Mild cognitive impairment)와 알츠하이머병(Alzheimer’s disease)과 같이 인지기능장애를 수반하는 질환과, 조현병(Schizophrenia), 약물 중독(Drug addiction) 같은 정신장애를 수반하는 질환 그리고 헌팅턴병(Huntington’s disease), 파킨슨병(Parkinson’s disease)과 같이 심각한 운동장애를 유발하는 질환 등이 포함된다. 현재 약물중독, 파킨슨병 그리고 인지기능장애를 예방하거나 치료하기 위해 각각 부프로피온, 레보도파 그리고 도네페질 등이 사용되지만, 이러한 약물들은 부작용을 가지고 있으며 반복 사용시 또다른 질환을 유발시킬 수 있는 위험성이 있다. 따라서, 이러한 문제를 극복하기 위하여 신경질환과 연관된 유전자나 부작용이 적은 천연물을 찾는 연구는 많은 관심을 받고 있다. 본 연구에서는 다양한 모델동물을 이용하여 파킨슨병이나 약물중독 같은 도파민과 연관된 질환에 대한 치료타겟 유전자와 노화로 인한 인지기능 저하와 알츠하이머병을 위한 천연물 치료제를 발굴하고자 하였다.
첫번째로, NAD(P)H quinone oxidoreductase 1 (NQO1)의 도파민과 연관된 질병에서의 역할을 알아보기 위한 연구를 진행하였다. NQO1은 산화-환원 반응(Redox cycling) 조절을 통해 항산화 및 항염증 효과를 나타내며, 도파민 시스템에서 중요한 역할을 하고 있다고 알려져 있다. 그러나 NQO1의 기능에 대한 많은 연구가 진행되었음에도 불구하고, NQO1이 도파민과 연관된 질환(Dopmaine-related diseases)에 미치는 영향은 아직 밝혀지지 않았다. 따라서 도파민성 뉴런세포 사멸에 미치는 NQO1의 역할을 확인하기 위해, NQO1 정상 마우스(Wild type, WT)와 NQO1 결손 마우스(Knockout type, KO)의 선조체(Striatum)에 6-OHDA를 주사하여 파킨슨병을 유발한 뒤 마우스의 운동장애 행동 관찰과 생화학 실험을 진행하였다. 예상했던 것과는 다르게, NQO1 유전자 결손은 tyrosine hydroxylase와 dopamine transpoter의 발현량뿐만 아니라 운동 기능 장애에도 변화를 유발하지 못했다. 이는 6-OHDA유도 파킨슨병 모델에서 NQO1의 결손이 도파민성 신경세포사의 정도에는 영향을 미치지 않으며 이로인한 운동장애 정도에도 영향을 미치지 않음을 의미한다. 다음으로, NQO1이 암페타민 중독에 미치는 영향을 확인하기 위해, 덱스토로 암페타민을 NQO1 정상 마우스와 결손 마우스에 각각 투여한 뒤, 약리학적 행동변화를 측정하였다. 덱스트로 암페타민 투여는 NQO1 결손 마우스에서 운동성을 유의적으로 증가시켰으며, 또한, conditioned place preference (CPP) test를 진행한 결과, 암페타민에 대한 심리적 의존성을 증가시켰다. 더불어, NQO1 결손 마우스의 선조체에서 도파민의 양을 측정한 결과, 정상 마우스에 비해 도파민 양이 높았으며, 암페타민을 투여한 후에도 같은 결과를 나타내었다. 또한, 암페타민을 투여한 NQO1 결손 마우스에서 뉴런세포의 활성이 정상 마우스에 비해 증가하였다. 그리고 암페타민에 의한 도파민 분비(Efflux)에 중요한 역할을 하는 것으로 보고된 CaMKIIα 단백질의 발현량은 정상 마우스에 비해 NQO1 결손 마우스에서 떨어져 있었지만 CaMKIIα의 인산화 수준은 NQO1 결손 마우스에서 현저하게 증가함을 확인 하였다. 도파민 D2 수용체의 길항제를 투여한 뒤 마우스의 활동성을 측정한 결과, 정상 마우스에서는 움직임이 감소하였지만 NQO1 knockout 마우스는 운동성에 차이가 없음을 보여 도파민 D2 수용체를 통한 운동성 변화에 NQO1이 중요한 역할을 하고 있는 것이 확인되었다. 게다가, 도파민 D1 수용체와 D2 수용체의 작용제를 투여 후 CPP test를 진행한 결과, NQO1 결손 마우스는 도파민 D1 작용제에 대해 높은 심리적 의존성을 보였다. 종합적으로, NQO1 유전자 결여는 암페타민 투여에 의해 과도한 운동 활성이 유발될 뿐만 아니라 이에 대한 보상효과도 매우 커지는 것으로 확인되었으며 이는 NQO1이 암페타민 중독에서 중요한 역할을 하고 있음을 시사한다.
두번째로 piperlongumine (PL)이 인지기능장애에 미치는 효능을 평가하기 위한 연구를 진행하였다. PL은 후추속(Piper species)에서 추출이 가능한 천연물 유래 물질로 종양과 당뇨, 통증 등 다양한 질병에 대해 치료효과를 가지고 있다. 하지만 인지기능 개선과 알츠하이머병에서의 예방 및 치료 효과는 아직 보고된 바 없으며, PL이 지니는 항산화 및 항염증 효과를 근거로 노화와 알츠하이머병에 의한 인지기능장애에 예방 및 치료 효과가 있을 것으로 판단하였다. PL이 노화로 인한 인지기능장애에 미치는 영향을 확인하기 위해, 암컷 C57BL/6J 노화 마우스에 PL을 50 mg/kg/day 농도로 8주간 투여한 뒤 novel object recognition test (NOT)와 nest building test (NBT) 실험을 통해 인지기능과 사회성을 평가하고, 면역조직화학염색과 western blot 분석을 통해 PL이 해마의 기능에 미치는 영향을 평가하였다. 그 결과 PL을 투여한 노화 마우스는 각각 NOT와 NBT에서 인지기능과 사회성이 증가함을 보였다. PL 투여는 미세아교세포(Microglia)와 성상세포(Astorycte)의 활성 및 지질 과산화(Lipid peroxidation)에는 차이를 주지 않았지만 NR2B와 CaMKIIα, ERK의 인산화는 유의미하게 증가시켰다. 또한, PL 투여는 해마의 CA3 지역에서 cAMP response element binding protein (CREB)의 인산화를 증가시켜 신경가소성(Neuronal plasticity) 개선을 통해 기억능력을 증진시킬 수 있는 가능성을 보였다. PL을 투여한 마우스의 치상회(Dentate gyrus)에서 새로운 신경 생성의 표지자인 doublecortin의 발현이 크게 증가하였다. 이러한 결과들은 PL이 노화로 인한 인지 기능 저하에 예방 및 치료 효과를 가지고 있음을 시사한다. 다음 연구에서는 Tg 마우스에서 PL이 인지 기능을 향상시킬 수 있는지 평가하였다. PL을 50 mg/kg/day 농도로 2.5 개월간 투여한 결과, Tg 마우스의 두정엽(Parietal cortex)에서 아밀로이드 베타(Amyloid beta) 침적이 유의적으로 감소하였다. 또한, 행동실험을 통해 인지기능을 평가한 결과, PL을 투여한 마우스는 뛰어난 인지 기능을 나타내었다. 더불어 미세아교세포와 성상세포의 활성을 감소시킴으로써 항염증 효과를 나타내었으며 vesicular glutamate transpoter 1의 발현을 증가시켰다. 이러한 결과들은 PL이 알츠하이머와 같은 퇴행성뇌질환의 진행과정을 완화시키는데 효과적으로 사용할 수 있음을 제시하고 있다.
결론적으로, 본 연구에서는 암페타민과 도파민 수용체에 대한 약리학적 행동분석 결과들을 통해 NQO1이 도파민 신호 전달과정에서 중요한 역할을 하고 있음을 확인하여 약물 중독을 치료하기 위한 유전자 타겟이 될 수 있는 가능성을 제시하였고, 천연 유래물인 PL은 노화 마우스와 알츠하이머 모델 마우스에서 인지기능장애를 효과적으로 완화시켜 인지기능장애 개선을 위한 약물로 사용 될 수 있는 가능성을 제시하였다.
Abstract
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The neurological disorders (NDs) are defined as impairment in nervous system. NDs include cognitive disorders such as mild cognitive impairment and Alzheimer’s disease (AD), and dopamine-related diseases such as schizopherinia, Parkinson’s disease (PD) and drug addiction. Many drugs were identified ...
The neurological disorders (NDs) are defined as impairment in nervous system. NDs include cognitive disorders such as mild cognitive impairment and Alzheimer’s disease (AD), and dopamine-related diseases such as schizopherinia, Parkinson’s disease (PD) and drug addiction. Many drugs were identified to prevent and attenuate NDs including bupropion for drug addiction, levodopa for PD and acetylcholinesterase inhibitors such as donepezil for cognitive impairment. However, these drugs have side effects or may cause other diseases when used repeatedly. Therefore, the finding of gene associated with diseases or herbal drug with fewer side effects have a great attention to overcome these problems. In present study, we identified novel therapeutic target gene in dopamine-related diseases, such as PD and amphetamine addiction as well as a natural product for the treatment of the cognitive impairment using various disease models.
Firstly, to uncover the role of NAD(P)H quinone oxidoreductase 1 (NQO1) on dopamine-related diseases, NQO1 knock out mice were injected with 6-hydroxydopamine (6-OHDA) for PD model and D-amphetamine for drug addiction, followed by behavioral testing and biochemical analysis. NQO1 plays a pivotal role in redox cycling and dopaminergic system. However, although various studies have been performed on the funcion of NQO1, the role of NQO1 in dopamine-related diseaes has not been elucidated. To investigate the role of NQO1 in dopaminergic neuronal cell death, 6-OHDA was injected in striatum of NQO1+/+ and NQO1−/− mice. Contrary to expectations, NQO1 deficiency did not altered the expression of tyrosine hydroxylase and DA transpoter proteins, as well as motor dysfunction. Next, to determine the role of NQO1 in amphetamine addiction, pharmaco-behavioral effects of D-amphetamine were evaluated in NQO1 knock out mice. The psychomotor activity and psychological dependency induced by D-amphetamine were increased in NQO1−/− mice compared to NQO1+/+ mice. Basal and D-amphetamine-induced dopamine levels were also enhanced in NQO1−/− mice. The administration of D-amphetamine induced higher neural activation in dorsolateral striatum, but not in dorsomedial and ventral striata of NQO1−/− mice. The phosphorylation level of CaMKIIα responsible for amphetamine-induced dopamine efflux was significantly increased in striata of NQO1−/− mice, whereas the expression of CaMKIIα protein was decreased in NQO1−/− mice compared to NQO1+/+ mice. Interestingly, D2 antagonist-induced suppression of locomotor activity was mediated by NQO1. In addition, NQO1 deficiency induced the higher rewarding effect in response to D1 agonist. These results suggest that NQO1 deficiency showed higher motor activity and rewarding effects on D-amphetamine, which means that NQO1 may play a role in the amphetamine addiction.
Secondly, to investigate the effects of piperlongumine (PL) on cognitive impairment, PL was administered to aged mice and APP/PS1 mice, and subsequently behavioral testing and biochemical analysis were performed. PL, a major alkaloid isolated from the long pepper, has been shown to exert various pharmacological effects in tumours, diabetes, pain, and psychiatric disorders. To investigate the effect of PL on age-related cognitive impairment, PL (50 mg/kg/day) was administered orally to 23-month-old female C57BL/6J mice for 8 weeks. The treatment of PL significantly improved nest building behavior and novel object recognition in aged mice. PL treatment did not alter the area occupied by microglia and astrocytes. The phosphorylation of NR2B, CaMKIIα, ERK1/2 and CREB was increased by PL administration in the hippocampus of aged mice. Furthermore, PL treatment significantly increased neurogenesis in the dentate gyrus of the hippocampus. Next, I investigated whether the administration of PL could enhance cognitive impairment on a mouse model of AD. PL treatment markedly improved novel object recognition and working memory and reduced amyloid plaque deposition as well as activated astrocytes and microglia. The administration of PL markedly increased the expression of vesicular glutamate transporter 1 protein in the hippocampus of APP/PS1 mice. These results suggested that PL showed a therapeutic potential to ameliorate AD-like pathologies. Taken together, PL treatment enhanced cognitive impairment in both the aged and AD mice through different mechanisms.
In conclusion, as a result of conducting pharmaco-behavior analysis using D-amphetamine and dopamine agonists and antagonists to find a candidate gene for improving dopamine-related diseases, NQO1 gene has shown the potential to be a novel therapeutic target gene for amphetamine addiction. Furthermore, the natural origin PL has excellent therapeutic effects for cognitive impairment in the aged mice and AD mouse model, suggesting the possibility of being a drug for the treatment of cognitive disorders.
주제어
#신경질환 치료 유전자 타겟 천연물 치료제;
