지구성 운동이 NSE/APPsw 알츠하이머 질환 생쥐의 인지능력, Aβ-42, BDNF, GLUT-1과 HSP-70 단백질 발현에 미치는 영향 The Effect of Exercise Training on Aβ-42, BDNF, GLUT-1 and HSP-70 Proteins in a NSE/ APPsw-transgenic Model for Alzheimer's Disease.원문보기
알츠하이머 질환은 신경퇴행성질환으로 노령인구에서 뿐만 아니라 $30{\sim}60$세 사이에서도 상염색체성우성형으로 발생하여 사회문제로 대두되고 있으며 발병기전도 명확하게 규명되지 않은 상태이다. 따라서 이 연구에서는 hAPP695sw 돌연변이를 neuron-specific enolase (NSE) 유전자의 프로모터 조절 하에 연결시킨 융합 유전자(pNSE/APP695sw fusion gene)를 과 발현시킨 알츠하이머 질환 모델생쥐를 대상으로 16주간 지구성 운동에 따른 알츠하이머 질환 모델생쥐의 인지능력의 변화와 주병변인 $A{\beta}-42$ 단백질과 함께 GLUT-1, BDNF, HSP-70 단백질의 발현량을 분석하였다. 그 결과 지구성 운동은 APPsw 알츠하이머 질환 모델생쥐의 인지능력을 개선시키는데 긍정적인 영향을 미친 것으로 나타났으며 이러한 인지능력의 개선은 알츠하이머 질환의 주 병변인 뇌의 $A{\beta}-42$ 감소뿐만 아니라 BDNF, GLUT-1과 HSP-70 단백질의 발현 증가와 관련이 있음을 확인하였다. 따라서 지구성 운동은 약물 처치 이외에 알츠하이머 질환을 예방하거나 지연시킬 수 있는 전략적인 방법으로 활용할 수 있음을 알 수 있다.
알츠하이머 질환은 신경퇴행성질환으로 노령인구에서 뿐만 아니라 $30{\sim}60$세 사이에서도 상염색체성우성형으로 발생하여 사회문제로 대두되고 있으며 발병기전도 명확하게 규명되지 않은 상태이다. 따라서 이 연구에서는 hAPP695sw 돌연변이를 neuron-specific enolase (NSE) 유전자의 프로모터 조절 하에 연결시킨 융합 유전자(pNSE/APP695sw fusion gene)를 과 발현시킨 알츠하이머 질환 모델생쥐를 대상으로 16주간 지구성 운동에 따른 알츠하이머 질환 모델생쥐의 인지능력의 변화와 주병변인 $A{\beta}-42$ 단백질과 함께 GLUT-1, BDNF, HSP-70 단백질의 발현량을 분석하였다. 그 결과 지구성 운동은 APPsw 알츠하이머 질환 모델생쥐의 인지능력을 개선시키는데 긍정적인 영향을 미친 것으로 나타났으며 이러한 인지능력의 개선은 알츠하이머 질환의 주 병변인 뇌의 $A{\beta}-42$ 감소뿐만 아니라 BDNF, GLUT-1과 HSP-70 단백질의 발현 증가와 관련이 있음을 확인하였다. 따라서 지구성 운동은 약물 처치 이외에 알츠하이머 질환을 예방하거나 지연시킬 수 있는 전략적인 방법으로 활용할 수 있음을 알 수 있다.
Mutations in the APP gene lead to enhanced cleavage by ${\beta}-$ and ${\gamma}-secretase$, and increased $A{\beta}$ formation, which are closely associated with Alzheimer's disease (AD)-like neuropathological changes. Recent studies have shown that exercise training...
Mutations in the APP gene lead to enhanced cleavage by ${\beta}-$ and ${\gamma}-secretase$, and increased $A{\beta}$ formation, which are closely associated with Alzheimer's disease (AD)-like neuropathological changes. Recent studies have shown that exercise training can ameliorate pathogenic phenotypes ($A{\beta}-42$, BDNF, GLUT-1 and HSP70) in experimental models of Alzheimer's disease. Here, we have used NSE/APPsw transgenic mice to investigate directly whether exercise training ameliorates pathogenic phenotypes within Alzheimer's brains. Sixteen weeks of exercise training resulted in a reduction of $A{\beta}-42$ peptides and also facilitated improvement of cognitive function. Furthermore, GLUT -1 and BDNF proteins produced by exercise training may protect brain neurons by inducing the concomitant expression of genes that encode proteins (HSP-70) which suppress stress induced neuron cell damages from APPsw transgenic mice. Thus, the improved cognitive function by exercise training may be mechanistically linked to a reduction of $A{\beta}-42$ peptides, possibly via activation of BDNF, GLUT-1, and HSP-70 proteins. On the basis of the evidences presented in this study, exercise training may represent a practical therapeutic management strategy for human subjects suffering from Alzheimer's disease.
Mutations in the APP gene lead to enhanced cleavage by ${\beta}-$ and ${\gamma}-secretase$, and increased $A{\beta}$ formation, which are closely associated with Alzheimer's disease (AD)-like neuropathological changes. Recent studies have shown that exercise training can ameliorate pathogenic phenotypes ($A{\beta}-42$, BDNF, GLUT-1 and HSP70) in experimental models of Alzheimer's disease. Here, we have used NSE/APPsw transgenic mice to investigate directly whether exercise training ameliorates pathogenic phenotypes within Alzheimer's brains. Sixteen weeks of exercise training resulted in a reduction of $A{\beta}-42$ peptides and also facilitated improvement of cognitive function. Furthermore, GLUT -1 and BDNF proteins produced by exercise training may protect brain neurons by inducing the concomitant expression of genes that encode proteins (HSP-70) which suppress stress induced neuron cell damages from APPsw transgenic mice. Thus, the improved cognitive function by exercise training may be mechanistically linked to a reduction of $A{\beta}-42$ peptides, possibly via activation of BDNF, GLUT-1, and HSP-70 proteins. On the basis of the evidences presented in this study, exercise training may represent a practical therapeutic management strategy for human subjects suffering from Alzheimer's disease.
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문제 정의
그러나 알츠하이머 질환의 증후인 뇌(해마, 대뇌피질)의 A P-42 단백질의 침적이 신경퇴행성 질환의 병리적 분자표현형 단백질들인 BDNF, GLUT」과 HSP-70의 기능 감소와 관련 성이 있는지는 명확하게 규명되지 않은 상태 이며 특히 이 연구에서 활용한 APPsw 알츠하이머 질환 모델생쥐에게서 발 생하는지와 함께 지구성 운동이 알츠하이머 질환 관련 이들 병리적 분자표현형 단백질들에 미치는 영향에 관한 연구는 부족한 상태이다. 따라서 이 연구는 APPsw 돌연변이 (mutants)를 neuron-specific enolase (NSE) 유전자의 프로모 터 조절 하에 연결시킨 융합 유전자(pNSE/hAPPsw fusion gene)를 가진 알츠하이머 질환 모델생쥐를 대상으로 16주간 지구성 운동이 인지능력 개선 및 알츠하이머 질환의 주병변인 AP-42 단백질을 포함해 병리적 관련 분자 표현형 단백질 인 BDNF, GLUT】과 HSP-70 발현에 미치는 영향을 분석하 는데 목적이 있다.
특히 약물이 아닌 신체활동을 통한 알츠하이머 질환의 뇌 신경세포 보호 작용 은 규명되지 않은 상태이다. 따라서 이 연구는 알츠하이머 질환 특성을 보이는 APPsw 알츠하이머 질환 모델 생쥐(Tg) 를 활용하여 16주간 지구성 운동이 인지능력과 알츠하이머 질환 관련 뇌의 분자 표현형 단백질들에 미치는 영향을 분석하였다. 먼저 이 연구에서는 APPsw을 neuron-specific enolase (NSE) 유전자의 프로모터 조절 하에 연결시켜 생산된 알츠하이머 질환 모델 생쥐를 대상으로 수중 미로 검사를 실시한 결과 인지 능력에 결함이 있다는 것을 확인하였다.
반면 지구성 운동 수행에 의해 non-Tg와 Tg 집단 모두 GLUT-1 단백질 발현량이 증가하였는데 특히 Tg 운동집단의 경우 Tg 비교집단에 비해 증가한 것으로 나타났다. 이러한 결과는 뇌의 Ap-42 단백질 발현량 감소와 함께 인슐린의 민 감도가 개선되어 효율적인 인슐린 신호전달이 유발되어 대 뇌의 글루코스 활용 능력이 개선되어 나타난 현상으로 볼 수 있는데 이 연구에 제시된 혈청 인슐린과 글루코스 수준의 감 소가 그 결과를 뒷받침해 주고 있다.
제안 방법
10%와 16.5% separating gel (30% acrylamide: bisacrylamide, 1.5 M tris pH 8.8, 10% SDS, TEMED, 10% ammonium persulfate)과 5% stacking gel (30% aciyiamide: bisacrylamide, 1 M tris pH 6.8, 10% SDS, TEMED, 10% ammonium persulfate)을 만들어 사용하였다. 원심분리(15,000 rpmz 20분)한 상층액과 SDS loading buffer (60 mN tris pH 6.
12개월 된 hAPPsw 알츠하이머 질환 모델생쥐와 동일 연 령의 non-Tg 생쥐를 대상으로 인지 능력의 변화를 알아보기 위해 수중 미로 검사를 실시하였다. 수중 미로 검사는 창문과 공기가 잘 통하고 실험 테이블이 준비된 실험실에서 실시하였다.
1% Bromophenol Blue를 잘 혼합한 후 100℃에서 10분간 끓여 단백질을 변성시킨 후 식혀서 다시 15,000 rpm으로 20 분간, 4℃에서 원심분리하였다. Standard marker (SDSPAGE Molecular Weight Standards, Bio-Rad)와 함께 각 샘 플을 Mini-Protein U dual-slab apparatus (Bio-Rad, USA)에 준비된 stacking gel well과 동일한 총 단백질량(50 μg)이 되 도록 분주한 후 80 volt에서 2시간 정도 샘플이 바닥에 닿을 때까지 전기 영동하였다.
4mg/g)을 이용하여 희생시켜 뇌 조직을 적출하여 무게를 측정하고 PBS로 충분히 세척한 후 액화질소에 냉동시켜 분석 시까지 -7아C의 초 냉동기에 보관하였다. 뇌 조직은 Western blot 분석을 위해 저울(balance Ly-200, Ymato, Japan)로 측정하여 자른 다음 lysis buffer [0.1 M K phosphate/0.5 M EDTA (pH 7.2), 냉장보관] 1 ml을 넣어 얼음 속에서 조직을 균질화(homogenizer, PYREX 7725~16, Coming, USA)하였다. 균질화 된 조직은 미리 얼음에 재워 둔 1.
알츠하이머 질환은 신경퇴행성 질환으로 노령 인구에서 뿐만 아니라 30~60세 사이에서도 상염색체성우성형으로 발생하여 사회문제로 대두되고 있으며 발병기전도 명확하게 규 명되지 않은 상태이다. 따라서 이 연구에서는 hAPP695sw 돌연변이를 neuron-specific enolase (NSE) 유전자의 프로모 터 조절 하에 연결시킨 융합 유전자(pNSE/APP695sw fusion gene)를 과 발현시킨 알츠하이머 질환 모델생쥐를 대상으로 16주간 지구성 운동에 따른 알츠하이머 질환 모델생쥐 의 인지능력의 변화와 주병변인 AP-42 단백질과 함께 GLUT-1, BDNF, HSP-70 단백질의 발현량을 분석하였다. 그 결과 지구성 운동은 APPsw 알츠하이머 질환 모델생쥐의 인 지능력을 개선시키는데 긍정적인 영향을 미친 것으로 나타 났으며 이러한 인지능력의 개선은 알츠하이머 질환의 주 병 변인 뇌의 Ap~42 감소뿐만 아니라 BDNF, GLUT、과 HSP-70 단백질의 발현 증가와 관련이 있음을 확인하였다.
1차 항체인 anti-BDNF (Santa Cruz Biotechnology/ sc-546, CA, USA), anti-GLUT-1 (Santa Cruz Biotechnology, sc-7903, CAZ USA), anti-HSP70 (Santa Cruz Biote나mology, sc-24, CA, USA)와 anti-Ap-42 (Chemicon, MAB1561, MS, USA)는 1:1,000으로 blocking (5 % skim milk) 용액으로 각각 희석시켜 1시간 반 동안 흔들어 주고 난 다음 TNT 용액으로 10분씩 3차례 세척한 후 2차 항 체 (horseradish peroxidase -conjugated goat anti-rabbit ZYMED, 65-6120, CA, USA; horseradish peroxidase-conjugated goat anti-mousez Santa Cruz Biotechnology, sc-2005z CA, USA)를 Blocking 용액으로 1:3,000으로 희석시켜 1시간 동안 흔들어 주고 난 다음 INT 용액으로 10분씩 3차례 세척 하였다. 마지막 단계로 ECL substrate 용액(Santa Cruz, Biotechnology, USA)에 membrane을 넣고 5분간 발색시키고 얻어진 membrane을 Bio-Rad ChemiDoc XRS 시스템을 활용 하여 Ap-42z BDNF, GLUT」과 버SP-70 단백 질량을 산출하였 으며 총 단백질 량은 BSA (bovine serum albumin, 570 nm)을 이용하여 정량하였다.
이들 실 험모델동물들의 수영거리(escape distance), 수영속도(escape velocity), 수영시간(escape latency)과 수영유형 (swimming pattem)을 수조 바로 위 천정에 설치 연결된 컴퓨터 프로그램 인 SMART-CS 프로그램 (Panlab, Barcelona, Spain)을 활용하여 실험처치 전과 16주 실험처치 후 2회 측정 - 분석하였다. 수중 미로 검사는 각 회씩 주 5일 동안 실시하였으며 매일 같은 위치에서 출발하여 3회씩 동물이 동일한 위치에 놓인 표적에 도달하도록 연습시킨 후 마지막 6일째 표적을 없앤 후 동일한 출발 위치에서 수영을 시작하여 3회 표적에 도달한 결과를 실험결과 값으로 활용하는데 이때, 실험결과 값으로 60초 이내에 생쥐가 숨겨진 표적을 찾을 경우에만 활용하였다. 각 검사 실시간에 최소한 5분간의 간격을 두었다'
실험모델동물은 16주간 실험처지 24시간 후 pentobarbital (0.4mg/g)을 이용하여 희생시켜 뇌 조직을 적출하여 무게를 측정하고 PBS로 충분히 세척한 후 액화질소에 냉동시켜 분석 시까지 -7아C의 초 냉동기에 보관하였다. 뇌 조직은 Western blot 분석을 위해 저울(balance Ly-200, Ymato, Japan)로 측정하여 자른 다음 lysis buffer [0.
알츠하이머 질환 모델생쥐(Tg)와 비형질전환생쥐(non-Tg) 를 대상으로 rodent 트레드밀 (8Lanes, Dae-myung Scientific Coz Ltd, Korea)을 이용하여 지구성 운동을 시키기 위해 1주 일 정도 사전적응 훈련(20분 동안 15 cm/sec, 주 7일)을 실시 하였으며 본 실험에서는 알츠하이머 질환 모델생쥐의 운동 수행능력을 고려하여 Cho 등同의 운동 프로그램을 근거로 수정하여 실온(22~24℃)에서 주 5일 16주간 실시하였다, 운 동 프로토콜은 Table 1과 같다.
장비로는 원형수조(지름 150 cmx높이 12 cm)안에 표적 (targ안)이 보이지 않도록 하기 위해 수조 안에 물(22~25℃)을 받아 전지분유를 풀어 넣어 용해시킨 후 물표면 바로 1 cm 정도 떨어진 수조바닥에 표적(지름 12 cm)을 놓는다. 이들 실 험모델동물들의 수영거리(escape distance), 수영속도(escape velocity), 수영시간(escape latency)과 수영유형 (swimming pattem)을 수조 바로 위 천정에 설치 연결된 컴퓨터 프로그램 인 SMART-CS 프로그램 (Panlab, Barcelona, Spain)을 활용하여 실험처치 전과 16주 실험처치 후 2회 측정 - 분석하였다. 수중 미로 검사는 각 회씩 주 5일 동안 실시하였으며 매일 같은 위치에서 출발하여 3회씩 동물이 동일한 위치에 놓인 표적에 도달하도록 연습시킨 후 마지막 6일째 표적을 없앤 후 동일한 출발 위치에서 수영을 시작하여 3회 표적에 도달한 결과를 실험결과 값으로 활용하는데 이때, 실험결과 값으로 60초 이내에 생쥐가 숨겨진 표적을 찾을 경우에만 활용하였다.
대상 데이터
In addition, the insulin concentrations (B) were measured using the ultra-sensitive assay procedure and reagents in the Insulin ELISA kit. Five mice were assayed in triplicate. Values shown represent the mean±SD.
이 연구에서 활용한 알츠하이머 질환 모델동물은 식약청 국립독성 연구소 실험 동물 자원실에서 생산된 12개월 된 수 컷 pNSE/hAPPsw 알츠하이머 질환 모델생쥐(Tg: n=10)와 동일한 어미의 같은 배에서 출생한 수컷 비 형질전환 생쥐 (non-Tg: 护10)를 제공받아 활용하였으며 집 단은 non-Tg 비 교집 단(n=5, 23.44+1.20 옴), non-Tg 운동집 단(n=5, 23.82+1.16 g), 알츠하이머 질환 모델생쥐(Tg) 비교집단(n느5, 24.72±1.40 g)과 알츠하이머 질환 모델생쥐(T옹) 운동집단(n=5, 23.38±0.28 g), 4집단으로 구분하였다.
데이터처리
실험처치 전 APPsw 알츠하이머 질환 모델생쥐와 non-Tg의 인지능력 [유영 거리 (escape distance), 유영 속도(escape velocity)z 유영시간(escape latency)]의 차이를 검증하기 위하여 독 립 t-검증(independent t-test)을 실시하였으며 16주간 실험처 치 후 인지능력의 개선 효과가있는지를 검증하기 위해 일원 변량분석을 실시하였으며 분석결과 유의한 차이가 있을 경우 LSD (least significant 击推的ic0)검증을 실시하였다. 나머지 분자표현형 단백질의 경우 운동집단(non-Tg와 Tg)간 및 조 건(운동수행여부)간에 따른 차이가 있는지를 검증하기 위해 이원변량분석(집단X운동수행여부)을 실시하였으며 상호작 용 효과가 있을 경우 그 차이를 구체적으로 확인하기 위하여 독립 t-검증을 실시하였다. 이때, 가설 수락기준은 片0.
0 SPSS 통계 프로그램을 이용하여 기술 통계치(mean土SD)를 산출하였다. 실험처치 전 APPsw 알츠하이머 질환 모델생쥐와 non-Tg의 인지능력 [유영 거리 (escape distance), 유영 속도(escape velocity)z 유영시간(escape latency)]의 차이를 검증하기 위하여 독 립 t-검증(independent t-test)을 실시하였으며 16주간 실험처 치 후 인지능력의 개선 효과가있는지를 검증하기 위해 일원 변량분석을 실시하였으며 분석결과 유의한 차이가 있을 경우 LSD (least significant 击推的ic0)검증을 실시하였다. 나머지 분자표현형 단백질의 경우 운동집단(non-Tg와 Tg)간 및 조 건(운동수행여부)간에 따른 차이가 있는지를 검증하기 위해 이원변량분석(집단X운동수행여부)을 실시하였으며 상호작 용 효과가 있을 경우 그 차이를 구체적으로 확인하기 위하여 독립 t-검증을 실시하였다.
이 연구에서 얻어진 모든 자료는 윈도우용 11.0 SPSS 통계 프로그램을 이용하여 기술 통계치(mean土SD)를 산출하였다. 실험처치 전 APPsw 알츠하이머 질환 모델생쥐와 non-Tg의 인지능력 [유영 거리 (escape distance), 유영 속도(escape velocity)z 유영시간(escape latency)]의 차이를 검증하기 위하여 독 립 t-검증(independent t-test)을 실시하였으며 16주간 실험처 치 후 인지능력의 개선 효과가있는지를 검증하기 위해 일원 변량분석을 실시하였으며 분석결과 유의한 차이가 있을 경우 LSD (least significant 击推的ic0)검증을 실시하였다.
성능/효과
3. (A)에서 보는 바와 같이 AP-42 단백질 발현량의 경우 상호 작용 효과 (F=0.121z pVO.Ol)가 있는 것으로 나타나 사후 검증한 결과, non-Tg 비교집단은 Tg 비교집단과 p<0.01 수준에서 차이가 있는 것으로 나타났으며 non-Tg 운동집단과 Tg 비교집단 간 에도 p<0.001 수준에서 차이가 있는 것으로 나타났다. 또한 Tg 비 교집 단과 Tg 운동집단 간에도 p<0.
16주간 지구성 운동이 혈청 글루코스와 인슐린 수준에 미치는 영향을 변량 분석한 결과, Hg- 4. (A)에서 보는 바와 같이 혈청 글루코스 수준의 경우 상호 작용 효과가 없는 것으로 나타나 주 효과를 검증한 결과 집단 간에 차이(F=30.569, pVO.Ol)가 있는 것으로 나타났으며 운동수행 여부 간에도 차 이(F드21.958, 任0.01)가 있는 것으로 나타났다. Fig.
1. (A, B)에서 보는 바와 같이 APPsw 알츠하이머 질환 모델생 쥐 집단(33.92EL03 sec) 이 non-Tg 집단(17.92±202 sec)에 비해 유영시간이 훨씬 더 긴 것으로 나타났으며(t=7.03L p<0.001) 유영거리도 Tg 집단(645.58±27.33 cm)이 non-Tg 집 단(4435±489L cm)보다 더 긴 것으로 나타나 집단 간에 유의한 차이 (t=3591, p<0.001)7} 있는 것으로 나타났다. 반면 유 영속도에서는 집단 간에 차이가 없는 것으로 나타났다.
3. (B)에서 보는 바와 같이 BDNF 단백질 발현량의 경우 상호 작용 효과(F=56.294, pvO.OOl)가 있는 것으로 나타나 사후 검증한 결과 non-Tg 비교집단과 non-Tg 운동집단 간에 p<0.001 수준에서 차이가 있는 것으로 나타났으며 non-Tg 비교집단은 Tg 운동집단과 p<0.001 수준에서 차이가 있는 것으로 나타났다. 또한 non-Tg 운동집 단은 Tg 비교집단과 p<0.
3. (C)에서 보는 바와 같이 GLUT-1 단백질 발현량의 경우 상호 작용 효과(F=0,751, p<0.001)7} 있는 것으로 나타나 사후 검증한 결과 non-Tg 비교집단은 non-Tg 운동집단, Tg 비 교집단 간에 각각 p<0.01z p<0.05 수준에서 차이가 있는 것으로 나타났으며 non-Tg 운동집단과 Tg 비교집단은 p<0.001 수준에서 차이가 있는 것으로 나타났다. Tg 운동집단과 Tg 비교집단은 p<0.
3. (D)에서 보는 바와 같이 HSP-70 단백질 발현량도 집단 간에 차이 (F=1L91O, p<0.001)가 있는 것으로 나타나 사후 검 증한 결과 non-Tg 비교집단은 non-Tg 운동집단, Tg 비교집단 과 각각 p<0.001 수준에서 차이가 있는 것으로 나타났으며 non-Tg 운동집단은 Tg 비교집단과 p<0.001 수준에서 차이가 있는 것으로 나타났다. Tg 운동집단은 Tg 비교집단간과 p<0.
(A, 明에서 확인된 바와 같이 인지 능력의 결함을 보이는 Tg 생쥐와 non-Tg 생쥐를 대상으로 16주간 지구성 운동의 효과를 분석하기 위해 변량분석을 실시한 결과, Fig. 2. (A, B)에서 보는 바와 같이 집단 간에 유영시간(F=17,821, p<0.001), 유영거리(5.891, p<0.001)P} 유영속도(F20.046, p사).001)에서 각각 차이가 있는 것으로 나타나 사후 검증을 실시한 결과, 유영거 리(escape distance)의 경우 non-Tg 비교 집단과 non-Tg 운동집단 간에는 차이가 없는 반면 Tg 비교 집 단은 non-Tg 비교집단과 non-Tg 운동집단과 각각 p<0.001 수준에서 차이가 있는 것으로 나타났다. Tg 운동집단은 Tg 비교집단과 pVJ.
01)가 있는 것으로 나타났다. Fig. 4(B)에서 보는 바와 같이 인슐린 수준의 경우 상호 작용 효과(F=14.092, pVO.Ol)가 있는 것으로 나타나 사후 검증한 결과, non-Tg 비 교집단은 Tg 비교집단과 p<0.01 수준에서 차이가 있는 것으로 나타났으며 non-Tg 운동집단은 Tg 비교집단과 pVLOl 수 준에서 차이가 있는 것으로 나타났다. 마지막으로 Tg 비교집 단은 Tg 운동집단은 pVO.
반면 유 영속도에서는 집단 간에 차이가 없는 것으로 나타났다. 결과적으로 Tg의 경우 알츠하이머 질환 특성인 인지 능력의 보이는 것으로 나타났다.
결론적으로 지구성 운동은 APPsw 알츠하이머 질환 모델 생쥐의 인지 능력을 개선시키는데 긍정적인 영향을 미친 것으로 나타났으며 이러한 인지능력의 개선은 알츠하이머 질 환의 주 병변인 뇌의 Ap-42 감소뿐만 아니라 BDNF, GLUT-1과 HSP-70 단백질의 발현 증가와 관련이 있음을 확 인하였다. 따라서 지구성 운동은 약물 처치 이외에 알츠하이 머 질환을 예방하거나 지연시킬 수 있는 전략적인 방법으로 활용할 수 있음을 알 수 있다.
따라서 이 연구에서는 hAPP695sw 돌연변이를 neuron-specific enolase (NSE) 유전자의 프로모 터 조절 하에 연결시킨 융합 유전자(pNSE/APP695sw fusion gene)를 과 발현시킨 알츠하이머 질환 모델생쥐를 대상으로 16주간 지구성 운동에 따른 알츠하이머 질환 모델생쥐 의 인지능력의 변화와 주병변인 AP-42 단백질과 함께 GLUT-1, BDNF, HSP-70 단백질의 발현량을 분석하였다. 그 결과 지구성 운동은 APPsw 알츠하이머 질환 모델생쥐의 인 지능력을 개선시키는데 긍정적인 영향을 미친 것으로 나타 났으며 이러한 인지능력의 개선은 알츠하이머 질환의 주 병 변인 뇌의 Ap~42 감소뿐만 아니라 BDNF, GLUT、과 HSP-70 단백질의 발현 증가와 관련이 있음을 확인하였다. 따라서 지 구성 운동은 약물 처치 이외에 알츠하이머 질환을 예방하거 나 지연시킬 수 있는 전략적인 방법으로 활용할 수 있음을 알 수 있다.
이러한 원인에 대해서는 명확하게 설명할 수 없어 후속 연구를 통해 이 연구에서 활용 한 APPsw 형질전환 생쥐의 BDNF 단백질 표현형을 다시 분석 , 연구할 필요가 있다. 그러나 non-T응와 Tg 집단 모두 16주 간 지구성 운동수행에 의해서는 현저하게 증가한 것으로 나타났다. 이러한 BDNF 단백질 발현량의 증가는 지구성 운동 자 체가 신경전달시스템, 신경내분비 시스템, 인슐린 유사 성장 인자-1 (insulin like growth factor-1), 혈관내피 성장인자(endothelial derived growth factor)> 활성 화시 켜 나타난 현상으로 볼 수 있는데 Gotman과 Berchtold [8], Russo-Neustadt 등[25] 과 Ding 등[1이의 결과가 뒷받침해 주고 있다.
001 수준에서 차이가 있는 것으로 나타났다. 또한 non-Tg 운동집 단은 Tg 비교집단과 p<0.05 수준에서 차이가 있는 것으로 나 타났으며 Tg 비교집단과 Tg 운동집단 간에는 p<0.001 수준 에서 차이가 있는 것으로 나타났다.
즉 지구성 운동에 의해 아밀로이드전구단백질(amyloid pre cursor protein) 분해 과정이 조절되거나 혹은 AR 분해율과 제거율이 증가되어 해마와 대뇌피질에 AP 단백질 침적이 감소되어 나타난 결과로 볼 수 있다[2,3,2이. 또한 알츠하이머 질환에서 공통적으로 나타나는 대표적인 증후는 뇌신경 세포 외에 AP -42 단백질 침적에 의한 플라크 형성 및 신경 섬유원 농축이 형성되어 세포사멸을 유도하는 것으로 이러한 뇌에 Ap-42 침적은 인지능력의 감소와 관련성이 높은 것으로 나타났다. 이 연구에서도 Tg 생쥐의 경우 non-Tg 생쥐에 비해 Ap-42 단백질 발현량이 상당히 높은 것으로 나타나 아밀로이드 전 구 단백질(amyloid precursor protein; APP) 유전자를 돌연 변이시켜 생산한 알츠하이머질환 모델 생쥐에게서 A&42의 침적이 약 15배정도 높았으며 아울러 인지능력의 결함을 보 였다는 Hsiao 등[16]의 결과와 일치하는 것으로 나타났다.
01 수준에서 차이가 있는 것으로 나타났으며 non-Tg 운동집단은 Tg 비교집단과 pVLOl 수 준에서 차이가 있는 것으로 나타났다. 마지막으로 Tg 비교집 단은 Tg 운동집단은 pVO.Ql 수준에서 차이가 있는 것으로 나타났다.
001 수준에서 차이가 있는 것으로 나타났다. 마지막으로 유영시 간(escape latency)의 경우 non-Tg 비교집단과 non-Tg 운동 집단 간에는 차이가 없는 반면 Tg 비교집단은 non-Tg 비교 집단, non-Tg 운동집단 및 Tg 운동집단과 각각 p<0.001 수준 에서 차이가 있는 것으로 나타났다.
따라서 이 연구는 알츠하이머 질환 특성을 보이는 APPsw 알츠하이머 질환 모델 생쥐(Tg) 를 활용하여 16주간 지구성 운동이 인지능력과 알츠하이머 질환 관련 뇌의 분자 표현형 단백질들에 미치는 영향을 분석하였다. 먼저 이 연구에서는 APPsw을 neuron-specific enolase (NSE) 유전자의 프로모터 조절 하에 연결시켜 생산된 알츠하이머 질환 모델 생쥐를 대상으로 수중 미로 검사를 실시한 결과 인지 능력에 결함이 있다는 것을 확인하였다. 이러한 결과를 볼 때 이 질환모델 생쥐의 뇌 조직에서 APPsw 유전자의 발현은 알츠하이머 질환의 특성인 인지 능력의 결 함과 관련성이 높다는 것을 알 수 있다.
반면 16주간 지구성 운동을 수행시킨 결과 non-Tg 집단과 Tg 집단 모두 현저하게 Ap-42 단백질 발현량이 감소한 것으로 나타났다. 이러한 결과는 Adlard 등[2]과 Cho 등[디의 결과와 일치하는 것으로 이러한 운동수행에 따른 Ap-42 단백질 발현량의 감소는 앞서 설명했듯이 지구성 운동수행에 의해 뇌 세포에 혈액을 통한 산소와 영양물질의 공급이 잘 이루어지거나 아니면 노폐물 및 탄산가스 제거율이 높아져 나타난 현상[3]으로 볼 수 있으며 특히 지구성 운동에 의해 아 밀로이드 전구 단백질의 생성과정 혹은 Ap 분해와 제거율이 조절되거나 증가되어 해마나 대뇌피질에서 AP 플라크 침적 이 감소[2,19]되어 나타난 것으로 볼 수 있다.
이와 같이 Tg 비교집단이 non-Tg 비교집단에 비해 HSP-70 단백질 발 현량이 낮은 이유는 Ap42의 침적으로 인해 분자 샤페론들 (HSP-70, HSC 71, GRP-75, 78)의 비정상적인 단백질 입체구 조의 변화가 발생하여 나타난 현상으로 분자 샤페론으로서 세포 보호 작용이 감소됨을 의미 한다. 반면 non-Tg와 Tg 운 동집단의 경우 16주간 운동 후 뇌에서 HSP-70의 발현량이 현저하게 증가하였는데 이러한 결과는 반복적인 운동 수행 의 적응 결과로 나타난 현상으로 Tg의 경우 알츠하이머 질 환으로 인한 세포사멸로부터 뇌세포를 보호한다는 것으로 의미한다. 즉 규칙적인 지구성이 단백질들의 잘못 접힘 (misfolding)과 응집 현상을 억제함으로써 신경세포의 보호 효과가 있음을 추론할 수 있다.
이러한 GLUT-1 단백질 감소는 인지 능력 감소에도 영향을 미친다. 반면 지구성 운동 수행에 의해 non-Tg와 Tg 집단 모두 GLUT-1 단백질 발현량이 증가하였는데 특히 Tg 운동집단의 경우 Tg 비교집단에 비해 증가한 것으로 나타났다. 이러한 결과는 뇌의 Ap-42 단백질 발현량 감소와 함께 인슐린의 민 감도가 개선되어 효율적인 인슐린 신호전달이 유발되어 대 뇌의 글루코스 활용 능력이 개선되어 나타난 현상으로 볼 수 있는데 이 연구에 제시된 혈청 인슐린과 글루코스 수준의 감 소가 그 결과를 뒷받침해 주고 있다.
OOl 수준에서 차이가 있는 것으로 나타났다. 유영속도(escape velocity)의 경우 non-Tg 운동집단은 non-Tg 비교집단과 Tg 비교집단과 각각 pVXOl과 p<0.001 수준에서 차이가 있는 것으로 나타났으며 Tg 비교집단은 non-Tg 운동집단과 Tg 운동집단과 각각 p<0.05와 p<0.001 수준에서 차이가 있는 것으로 나타났다. 마지막으로 유영시 간(escape latency)의 경우 non-Tg 비교집단과 non-Tg 운동 집단 간에는 차이가 없는 반면 Tg 비교집단은 non-Tg 비교 집단, non-Tg 운동집단 및 Tg 운동집단과 각각 p<0.
이 연구에서 HSP-70 단백질의 발현량은 non-Tg 비교집단 에 비해 Tg 비교집단이 낮은 것으로 나타나 알츠하이머 질 환일 경우 HSP-70 단백질군의 발현량이 감소되어있다는 Yoo 등[32]의 결과와 일치하는 것으로 나타났다. 이와 같이 Tg 비교집단이 non-Tg 비교집단에 비해 HSP-70 단백질 발 현량이 낮은 이유는 Ap42의 침적으로 인해 분자 샤페론들 (HSP-70, HSC 71, GRP-75, 78)의 비정상적인 단백질 입체구 조의 변화가 발생하여 나타난 현상으로 분자 샤페론으로서 세포 보호 작용이 감소됨을 의미 한다.
이와 같이, APP 유전자의 돌연변이에 의한 뇌 Ap-42 단백질 발현량 증가는 인지적 능력 감소μ7], 뇌 신경세포사I기와 당대사에 문제μ4]를 유발하며 신경세포의 생존에 있어 필수 요소인 뇌신경증식인자(brain derived neurophic factor; BDNF)와 혈액 내 장벽(blood brain barrier)를 통해 글루코스 수송을 담당하는 포도당 수송체-l(glucose transporter-1, GLUTJ)의 발현량이 해마와 대뇌피질에서 현저하게 감소되는 것으로 보고되고 있다[6,7,11,13-15]. 이 연구에서는 Tg 집 단과 non-Tg 집단 간에 뇌신경증식인자(bTain derived neurophic factor: BDNF) 단백질 발현량에는 차이가 없는 것으로 나타나 Wolf 등[2이의 결과와 일치하는 것으로 나타났다.
또한 알츠하이머 질환에서 공통적으로 나타나는 대표적인 증후는 뇌신경 세포 외에 AP -42 단백질 침적에 의한 플라크 형성 및 신경 섬유원 농축이 형성되어 세포사멸을 유도하는 것으로 이러한 뇌에 Ap-42 침적은 인지능력의 감소와 관련성이 높은 것으로 나타났다. 이 연구에서도 Tg 생쥐의 경우 non-Tg 생쥐에 비해 Ap-42 단백질 발현량이 상당히 높은 것으로 나타나 아밀로이드 전 구 단백질(amyloid precursor protein; APP) 유전자를 돌연 변이시켜 생산한 알츠하이머질환 모델 생쥐에게서 A&42의 침적이 약 15배정도 높았으며 아울러 인지능력의 결함을 보 였다는 Hsiao 등[16]의 결과와 일치하는 것으로 나타났다.
먼저 이 연구에서는 APPsw을 neuron-specific enolase (NSE) 유전자의 프로모터 조절 하에 연결시켜 생산된 알츠하이머 질환 모델 생쥐를 대상으로 수중 미로 검사를 실시한 결과 인지 능력에 결함이 있다는 것을 확인하였다. 이러한 결과를 볼 때 이 질환모델 생쥐의 뇌 조직에서 APPsw 유전자의 발현은 알츠하이머 질환의 특성인 인지 능력의 결 함과 관련성이 높다는 것을 알 수 있다.
이와 같이 Tg 비교집단이 non-Tg 비교집단에 비해 BDNF 단백질 발현량이 현저하게 낮은 수준을 보일 것이라 생각되었 으나 차이가 없는 것으로 나타났다. 이러한 원인에 대해서는 명확하게 설명할 수 없어 후속 연구를 통해 이 연구에서 활용 한 APPsw 형질전환 생쥐의 BDNF 단백질 표현형을 다시 분석 , 연구할 필요가 있다.
반면 non-Tg와 Tg 운 동집단의 경우 16주간 운동 후 뇌에서 HSP-70의 발현량이 현저하게 증가하였는데 이러한 결과는 반복적인 운동 수행 의 적응 결과로 나타난 현상으로 Tg의 경우 알츠하이머 질 환으로 인한 세포사멸로부터 뇌세포를 보호한다는 것으로 의미한다. 즉 규칙적인 지구성이 단백질들의 잘못 접힘 (misfolding)과 응집 현상을 억제함으로써 신경세포의 보호 효과가 있음을 추론할 수 있다. 그러나 이러한 결과를 보다 확실하게 규명하기 위해서는 세포사멸과 항산화효소 관련 단백질들과 비교 분석하는 후속 연구가 필요하다.
후속연구
즉 규칙적인 지구성이 단백질들의 잘못 접힘 (misfolding)과 응집 현상을 억제함으로써 신경세포의 보호 효과가 있음을 추론할 수 있다. 그러나 이러한 결과를 보다 확실하게 규명하기 위해서는 세포사멸과 항산화효소 관련 단백질들과 비교 분석하는 후속 연구가 필요하다.
이와 같이 Tg 비교집단이 non-Tg 비교집단에 비해 BDNF 단백질 발현량이 현저하게 낮은 수준을 보일 것이라 생각되었 으나 차이가 없는 것으로 나타났다. 이러한 원인에 대해서는 명확하게 설명할 수 없어 후속 연구를 통해 이 연구에서 활용 한 APPsw 형질전환 생쥐의 BDNF 단백질 표현형을 다시 분석 , 연구할 필요가 있다. 그러나 non-T응와 Tg 집단 모두 16주 간 지구성 운동수행에 의해서는 현저하게 증가한 것으로 나타났다.
참고문헌 (32)
Korea Institute and Social Affairs, 2007
Adlard, P. A., V. M. Perreau, V. Pop and C. W. Cotman. 2005. Voluntary exercise decreases amyloid load in a transgenic model of Alzheimer's disease. J. Neurosci. 25, 4217-4221
Blass, J. P. 2001. Brain metabolism and brain disease: is metabolic deficiency the proximate cause of Alzheimer dementia? J. Neurosci. Res. 66, 851-856
Cho, J. Y., D. Y. Hwang, T. S. Kang, D. H. Shin, J. H. Hwang, C. H. Lim, S. H. Lee, H. J. Lim, S. H. Min, S. J. Seo, Y. S. Song, K. T. Nam, K. S. Lee, J. S. Cho and Y. K. Kim. 2003. Use of NSE/PS2m-transgenic mice in the study of the protective effect of exercise on Alzheimer's disease. J. Sports Sci. 21, 943-951
Choeiri, C., W. Staines and C. Messier. 2002. Immunohistochemical localization and quantification of glucose transporters in the mouse brain. Neuroscience 111, 19-34
Chong, Z. Z., F. Li and K. Maiese. 2005. Oxidative stress in the brain: novel cellular targets that govern survival during neurodegenerative disease. Prog. Neurobiol. 75, 207-246
Cotman, C. W., N. C. Berchtold and L. A. Christie. 2007. Exercise builds brain health: key roles of growth factor cascades and inflammation. Trends Neurosci. 30, 464-472
Ding, Y. H., J. Li, Y. Zhou, J. A. Rafols, J. C. Clark and Y. Ding. 2006. Cerebral angiogenesis and expression of angiogenic factors in aging rats after exercise. Curr. Neurovasc. Res. 3, 15-23
Hager, K., A. Marahrens, M. Kenklies, P. Riederer and G. Munch. 2001. Alpha-lipoic acid as a new treatment option for Azheimer type dementia. Arch. Gerontol. Geriatr. 32, 275-282
Hock, C., K. Heese, C. Hulette, C. Rosenberg and U. Otten. 2000. Region-specific neurotrophin imbalances in Alzheimer disease: decreased levels of brain-derived neurotrophic factor and increased levels of nerve growth factor in hippocampus and cortical areas. Arch. Neurol. 57, 846-851
Hooijmans, C. R., C. Graven, P. J. Dederen, H. Tanila, T. van Groen and A. J. Kiliaan. 2007. Amyloid beta deposition is related to decreased glucose transporter-1 levels and hippocampal atrophy in brains of aged APP/PS1 mice. Brain Res. 1181, 93-103
Horwood, N. and D. C. Davies. 1994. Immunolabelling of hippocampal microvessel glucose transporter protein is reduced in Alzheimer's disease. Virchows Arch. 425, 69-72
Hsiao, K., P. Chapman, S. Nilsen, C. Eckman, Y. Harigaya, S. Younkin, F. Yang and G. Cole. 1996. Correlative memory deficits, Abeta elevation, and amyloid plaques in transgenic mice. Science 274, 99-102
Hwang, D. Y., J. S. Cho, S. H. Lee, K. R. Chae, H. J. Lim, S. H. Min, S. J. Seo, Y. S. Song, C. W. Song, S. G. Paik, Y. Y. Sheen and Y. K. Kim. 2004. Aberrant expressions of pathogenic phenotype in Alzheimer's diseased transgenic mice carrying NSE-controlled APPsw. Exp. Neurol. 186, 20-32
Kumar, P., R. K. Ambasta, V. Veereshwarayya, K. M. Rosen, K. S. Kosik, H. Band, R. Mestril, C. Patterson and H. W. Querfurth. 2007. CHIP and HSPs interact with beta- APP in a proteasome-dependent manner and influence Abeta metabolism. Hum. Mol. Genet. 16, 848-864
Lazarov, O., J. Robinson, Y. P. Tang, I. S. Hairston, Z. Korade-Mirnics, V. M. Lee, L. B. Hersh, R. M. Sapolsky, K. Mirnics and S. S Sisodia. 2005. Environmental enrichment reduces Abeta levels and amyloid deposition in transgenic mice. Cell 120, 701-713
Melling, C. W., D. B. Thorp, K. J. Milne, M. P. Krause and E. G. Noble. 2007. Exercise-mediated regulation of Hsp70 expression following aerobic exercise training. Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 293, H3692-3698
Neeper, S. A., F. Gomez-Pinilla, J. Choi and C. W. Cotman. 1996. Physical activity increases mRNA for brain-derived neurotrophic factor and nerve growth factor in rat brain. Brain Res. 726, 49-56
Nichol, K. E., A. I. Parachikova and C. W. Cotman. 2007. Three weeks of running wheel exposure improves cognitive performance in the aged Tg2576 mouse. Behav. Brain Res. 184, 124-132
Rogaev, E. I., R. Sherrington, E. A. Rogaeva, G. Levesque, M. Ikeda, Y. Liang, H. Chi, C. Lin, K. Holman, T. Tsuda. 1995. Familial Alzheimer's disease in kindreds with missense mutations in a gene on chromosome 1 related to the Alzheimer's disease type 3 gene. Nature 376, 775-778
Russo-Neustadt, A. A., H. Alejandre, C. Garcia, A. S. Ivy and M. J. Chen. 2004. Hippocampal brain-derived neurotrophic factor expression following treatment with reboxetine, citalopram, and physical exercise. Neuropsychopharmacology 29, 2189-2199
Spirduso, W. W. 1983. Exercise and the Aging Brain. (The 1982 CH McCloy Research Lecture), pp. 208-218
Tanzi, R. E., D. M. Kovacs, T. W. Kim, R. D. Moir, S. Y. Guenette and W. Wasco, 1996. The gene defects responsible for familial Alzheimer's disease. Neurobiol. Dis. 3, 159-168
van Praag, H., G. Kempermann and F. H. Gage. 1999. Running increases cell proliferation and neurogenesis in the adult mouse dentate gyrus. Nat. Neurosci. 2, 266-270
Wolf, S. A., G. Kronenberg, K. Lehmann, A. Blankenship, R. Overall, M. Staufenbiel and G. Kempermann. 2006. Cognitive and physical activity differently modulate disease progression in the amyloid precursor protein (APP)-23 model of Alzheimer's disease. Biol. Psychiatry. 60, 1314-1323
Xie, L., E. Helmerhorst, K. Taddei, B. Plewright, W. van Bronswijk and R. Martins. 2002. Alzheimer's beta-amyloid peptides compete for insulin binding to the insulin receptor. J. Neurosci. 22, RC221
Yenari, M. A., J. Liu, Z. Zheng, Z. S. Vexler, J. E. Lee and R. G. Giffard. 2005. Antiapoptotic and anti-inflammatory mechanisms of heat-shock protein protection. Ann. N.Y. Acad. Sci. 1053, 74-83
Yoo, B. C., S. H. Kim, N. Cairns, M. Fountoulakis and G. Lubec. 2001. Deranged expression of molecular chaperones in brains of patients with Alzheimer's disease. Biochem. Biophys. Res. Commun. 280, 249-258
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