사회적으로 고립된 쥐의 해마에서 NGF와 Synapsin I, ChAT의 단백질 수준에 미치는 사전운동효과 Effects of Exercise Preconditioning on the Expression of NGF, Synapsin I, and ChAT in the Hippocampus of Socially Isolated Rats원문보기
본 연구는 사회적 고립 스트레스로 인한 해마에서의 nerve growth factor (NGF), Synapsin I 및 choline acetyltranferase (ChAT) 감소에 있어서 사전운동경험(exercise preconditioning: EPC)이 미치는 영향을 규명하고자 실시되었다. 목적을 위해 Sprague-Dawley (SD) 쥐(수컷, 22주령, $500.1{\pm}48.41$ g)를 이용해 크게 통제집단(Con)과 운동(Ex)집단으로 구분하여 운동(트레드밀, 5일/주, 최대 18-20 m/min; 50분까지 점진적 증가, 경사 없음, 8주)을 적용하였으며, 이후 각각 사회적 고립(Isolation, 8주)을 적용하여 분석하였다(Group/Con: GC, Group/Ex: GE, Isolation/Con: IC, Isolation/Ex: IE, 각 집단별 n=8). 실험결과, IC집단에서 GC집단에 비해 해마에서 NGF, Synapsin I 및 ChAT가 유의하게 감소한 것으로 나타났다. 반면 IE집단에서 IC집단에 비해 NGF, Synapsin I 및 ChAT의 감소가 유의하게 개선된 것으로 나타났다. 이상의 결과 사회적 고립에 의한 해마에서의 NGF, Synapsin I 및 ChAT 단백질 감소는 EPC에 의해 개선되며, 이를 통해 해마의 기능 저하를 일부 완충 시킬 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구는 사회적 고립 스트레스로 인한 해마에서의 nerve growth factor (NGF), Synapsin I 및 choline acetyltranferase (ChAT) 감소에 있어서 사전운동경험(exercise preconditioning: EPC)이 미치는 영향을 규명하고자 실시되었다. 목적을 위해 Sprague-Dawley (SD) 쥐(수컷, 22주령, $500.1{\pm}48.41$ g)를 이용해 크게 통제집단(Con)과 운동(Ex)집단으로 구분하여 운동(트레드밀, 5일/주, 최대 18-20 m/min; 50분까지 점진적 증가, 경사 없음, 8주)을 적용하였으며, 이후 각각 사회적 고립(Isolation, 8주)을 적용하여 분석하였다(Group/Con: GC, Group/Ex: GE, Isolation/Con: IC, Isolation/Ex: IE, 각 집단별 n=8). 실험결과, IC집단에서 GC집단에 비해 해마에서 NGF, Synapsin I 및 ChAT가 유의하게 감소한 것으로 나타났다. 반면 IE집단에서 IC집단에 비해 NGF, Synapsin I 및 ChAT의 감소가 유의하게 개선된 것으로 나타났다. 이상의 결과 사회적 고립에 의한 해마에서의 NGF, Synapsin I 및 ChAT 단백질 감소는 EPC에 의해 개선되며, 이를 통해 해마의 기능 저하를 일부 완충 시킬 수 있을 것으로 판단된다.
The purpose of this study was to investigate the effect of exercise preconditioning (EPC) on nerve growth factor (NGF), synapsin I, and choline acetyltransferase (ChAT) in the hippocampus of rats subjected to social isolation (SI). We randomly assigned four groups of male Sprague-Dawley (SD) rats (n...
The purpose of this study was to investigate the effect of exercise preconditioning (EPC) on nerve growth factor (NGF), synapsin I, and choline acetyltransferase (ChAT) in the hippocampus of rats subjected to social isolation (SI). We randomly assigned four groups of male Sprague-Dawley (SD) rats (n=32) to the following treatments: GC: group housing control; IC: isolation control; GE: group housing exercise; IE: isolation exercise (n=8 each group). The rats underwent EPC 5 days a week for 8 weeks, and the speed of the treadmill was gradually increased (grade $0^{\circ}C$). After EPC, they were immediately subjected to SI for 8 weeks. The results showed that the protein levels of NGF, synapsin I, and ChAT in the hippocampus were significantly decreased in the IC group (p<0.05) compared with the GC group. However, these protein levels were significantly higher in the IE group (p<0.05). These results show that EPC may buffer the decline of function in the hippocampus by ameliorating the reduction in NGF, synapsin I, and ChAT induced by SI.
The purpose of this study was to investigate the effect of exercise preconditioning (EPC) on nerve growth factor (NGF), synapsin I, and choline acetyltransferase (ChAT) in the hippocampus of rats subjected to social isolation (SI). We randomly assigned four groups of male Sprague-Dawley (SD) rats (n=32) to the following treatments: GC: group housing control; IC: isolation control; GE: group housing exercise; IE: isolation exercise (n=8 each group). The rats underwent EPC 5 days a week for 8 weeks, and the speed of the treadmill was gradually increased (grade $0^{\circ}C$). After EPC, they were immediately subjected to SI for 8 weeks. The results showed that the protein levels of NGF, synapsin I, and ChAT in the hippocampus were significantly decreased in the IC group (p<0.05) compared with the GC group. However, these protein levels were significantly higher in the IE group (p<0.05). These results show that EPC may buffer the decline of function in the hippocampus by ameliorating the reduction in NGF, synapsin I, and ChAT induced by SI.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 다양한 뇌 손상으로 인한 뇌기능 저하에 있어서 신경 보호적인 역할을 하는 것으로 보고되고 있는 사전운동경험의 적용을 통하여 뇌 손상이 아닌 스트레스성 환경에서의 뇌기능 저하에 미치는 영향을 규명하고자, EPC가 사회적 고립에 의한 해마에서 NGF, Synapsin I 및 ChAT의 발현에 미치는 영향을 알아보고자 하는데 연구의 목적이 있다.
반면 운동은 뇌기능에 있어 긍정적인 영향을 미치는 대표적인 요인으로 운동을 통한 효과는 일시적인 것이 아니라 운동 중단 이후에도 일정기간 지속되는 것으로 나타나 있다[19,34,35]. 따라서 본 연구에서는 사회적 고립이라는 환경적 스트레스에 의한 뇌기능 저하에 있어서 사전운동경험이 미치는 영향을 규명하고자 해마의 기능과 관련이 높은 NGF, Synapsin I 및 ChAT의 발현 변화를 살펴보았다. 그 결과, 사회적 고립에 의해 해마에서 NGF, SynapsinⅠ, ChAT의 발현이 저하되었지만 EPC를 통해 유의하게 완화되는 것으로 나타났다.
제안 방법
8주간의 사회적 고립 적용이 종료되는 시점에서 48시간이 경과한 다음 xylazine (8 mg/kg)과 katamine (40 mg/kg)을 혼합한 용액을 복강 내로 주입하여 마취시킨다. 이 후 집단별 쥐들의 해마조직을 채취하기 위해 빠르게 뇌를 적출 한 후, 해마부위를 분리해 내어 -80℃에서 냉동 보관한다.
처음 1주는 10 m/min, 10 min (grade 0%), 2-3주는 10 m/min, 20 min (grade 0%), 4주는 14-15 m/min, 20 min (grade 0%), 5주는 14-15 m/min, 30 min (grade 0%), 6-8주는 18-20 m/min, 50 min (grade 0%)로 트레드밀 속도와 시간을 점진적으로 증가시켰다. 8주간의 운동을 종료한 후, IC와 IE 집단은 Stranahan 등의 연구[30]에서 사용된 사회적 고립과 동일한 방법(1마리/1케이지)을 8주간 적용하였으며, 나머지 집단은 집단 사육을 계속 유지하였다.
Western blotting 방법을 통해 얻은 band는 Quantity One 프로그램(BIO-RAD)을 이용하여 밀도(density)를 측정하였으며, 집단별 단백질 수치를 표준화(normalization)하기 위해 각 집단별 GAPDH 수치로 보정하였다. 이렇게 보정된 값을 이용하여 통계적 과정을 거친 후 GC집단의 수치를 기준(100%)으로 설정하여 나머지 집단과의 비율을 통해 제시하였다.
실험기간 동안 모든 쥐에게 물과 음식(단백질, 21%; 지방, 5%;섬유질, 4%; 질소 제거 추출물, 55%; 적절한 비타민과 미네랄 함유; Purina Mills Inc., Korea)을 자유롭게 먹을 수 있도록 하였으며(ad libitum), 실험환경은 온도: 22±1℃, 습도: 55±3%, 명암: 12시간 light/dark 주기를 자동으로 조절하였다.
Western blotting 방법을 통해 얻은 band는 Quantity One 프로그램(BIO-RAD)을 이용하여 밀도(density)를 측정하였으며, 집단별 단백질 수치를 표준화(normalization)하기 위해 각 집단별 GAPDH 수치로 보정하였다. 이렇게 보정된 값을 이용하여 통계적 과정을 거친 후 GC집단의 수치를 기준(100%)으로 설정하여 나머지 집단과의 비율을 통해 제시하였다.
전기영동 후 gel을 Comassie brilliant blue R-250을 1시간 동안 염색시키고 탈염색액(10% acetic acid & 10% methanol)으로 탈색시켜 gel상에서 밴드를 확인한다.
2주일간 환경적응 이후 각각 통제 집단(GC), 통제의 사회적 고립 집단(IC), 사전운동 집단(GE), 사전운동의 사회적 고립 집단(IE)의 4집단으로 무선 배정하였으며(각 집단 당 n=8), 집단 사육(group housing)을 유지하였다. 집단 구분 후, 8주간 주당 5일의 빈도로 중강도 트레드밀 운동을 적용하였다[7]. 처음 1주는 10 m/min, 10 min (grade 0%), 2-3주는 10 m/min, 20 min (grade 0%), 4주는 14-15 m/min, 20 min (grade 0%), 5주는 14-15 m/min, 30 min (grade 0%), 6-8주는 18-20 m/min, 50 min (grade 0%)로 트레드밀 속도와 시간을 점진적으로 증가시켰다.
대상 데이터
본 실험에 사용된 동물은 Sprague-Dawley (SD)계 20주령(무게 500.1±48.41 g) 수컷 32마리를 이용하였다.
데이터처리
0/ Window 통계 프로그램을 이용하여 분석하였다. 항목별 기술통계로 평균과 표준편차를 산출하고, 집단 간 비교를 위한 independent t-test 및 평균차 검증을 위한 one-way ANOVA를 실시하였으며, Turkey 사후검증(post-hoc)을 실시하였다. 유의수준(α)은 0.
이론/모형
전기영동 후 gel을 Comassie brilliant blue R-250을 1시간 동안 염색시키고 탈염색액(10% acetic acid & 10% methanol)으로 탈색시켜 gel상에서 밴드를 확인한다. Gel에 존재하는 단백질 중에서 NGF, ChAT, SynapsinⅠ을 확인할 목적으로 Western blot법을 시행한다. 단백질 transfer 장치(Hoefer Semiphor, Phanacia Bio.
그 후 4℃에서 12,000 rpm으로 15분간 원심분리하여 상층액의 단백질을 취한다. 이후 Bradford법으로 spectrophoto meter (Molecular Device Co., USA)를 이용하여 단백질 정량을 한다.
성능/효과
2주일간 환경적응 이후 각각 통제 집단(GC), 통제의 사회적 고립 집단(IC), 사전운동 집단(GE), 사전운동의 사회적 고립 집단(IE)의 4집단으로 무선 배정하였으며(각 집단 당 n=8), 집단 사육(group housing)을 유지하였다. 집단 구분 후, 8주간 주당 5일의 빈도로 중강도 트레드밀 운동을 적용하였다[7].
Fig. 1에서 나타난 바와 같이 운동 전 처치를 실시한 SD 쥐에게 사회적 고립을 적용한 결과 집단간 유의한 차이가 있는 것으로 나타났다(F=10.181, p<0.05).
Fig. 2에서 나타난 바와 같이 운동 전 처치를 실시한 SD 쥐에게 사회적 고립을 적용한 결과 집단간 유의한 차이가 있는 것으로 나타났다(F=14.780, p<0.05).
Fig. 3에서 나타난 바와 같이 운동 전 처치를 실시한 SD 쥐에게 사회적 고립을 적용한 결과 집단간 유의한 차이가 있는 것으로 나타났다(F=57.622, p<0.05).
따라서 본 연구에서는 사회적 고립이라는 환경적 스트레스에 의한 뇌기능 저하에 있어서 사전운동경험이 미치는 영향을 규명하고자 해마의 기능과 관련이 높은 NGF, Synapsin I 및 ChAT의 발현 변화를 살펴보았다. 그 결과, 사회적 고립에 의해 해마에서 NGF, SynapsinⅠ, ChAT의 발현이 저하되었지만 EPC를 통해 유의하게 완화되는 것으로 나타났다.
하지만 운동의 경우 중단 이후에도 효과가 일정기간 지속되는 것으로 알려져 있으며, 이러한 사전운동경험의 형태는 이미 다양한 뇌 손상과 관련한 뇌기능 저하에 있어 보호적인 역할을 통해 완화시키는 것으로 보고되어 있다[19,34]. 사전운동경험에 의한 선행연구들의 결과를 바탕으로 본 연구에서 사회적 고립과 같은 환경적 스트레스에 의한 해마의 기능 저하에 EPC가 미치는 영향을 살펴 본 결과, 해마에서 NGF, SynapsinⅠ 및 ChAT의 저하가 EPC에 의해서 유의하게 개선 되는 것으로 나타났다. 이상의 결과를 살펴 볼 때, EPC는 사회적 고립에 의해 저하된 해마의 NGF, Synapsin I 및 ChAT 단백질 수준을 개선하여 기능저하를 일부 완화시킬 수 있을 것으로 판단된다.
사전운동경험에 의한 선행연구들의 결과를 바탕으로 본 연구에서 사회적 고립과 같은 환경적 스트레스에 의한 해마의 기능 저하에 EPC가 미치는 영향을 살펴 본 결과, 해마에서 NGF, SynapsinⅠ 및 ChAT의 저하가 EPC에 의해서 유의하게 개선 되는 것으로 나타났다. 이상의 결과를 살펴 볼 때, EPC는 사회적 고립에 의해 저하된 해마의 NGF, Synapsin I 및 ChAT 단백질 수준을 개선하여 기능저하를 일부 완화시킬 수 있을 것으로 판단된다.
이에 따른 사후검증을 실시한 결과, IC 집단이 GC 집단에 비해 유의하게 저하된 것으로 나타난 반면 운동 전 처치를 실시한 IE 집단은 IC집단 보다 유의하게 높은 것으로 나타났다(p<0.05).
이에 따른 사후검증을 실시한 결과, IC집단이 GC집단에 비해 유의하게 저하된 것으로 나타난 반면 운동 전 처치를 실시한 IE집단은 IC집단 보다 유의하게 높은 것으로 나타났다(p<0.05).
또한 Ibi 등의 보고[16]에의하면 사회적 고립에 의한 해마에서의 신경세포생성의 저하는 공간 지각과 관련한 인지기능의 저하와 직접적인 관련을 가지는 것으로 제시하고 있어 사회적 고립에 의한 해마의 기능저하를 구체적으로 설명하고 있다. 이와 함께 본 연구에서도 해마에서의 신경세포생성 및 신경 가소성과 밀접한 관련을 가지는 NGF, Synapsin I 및 ChAT가 저하되는 것으로 나타나 사회적 고립에 의한 해마에서의 부정적인 영향을 나타내고 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
본 연구에서 사회적 고립이 해마에 주는 NGF, Synapsin I 및 ChAT의 발현 변화를 살펴본 결과는 어떠한가?
따라서 본 연구에서는 사회적 고립이라는 환경적 스트레스에 의한 뇌기능 저하에 있어서 사전운동경험이 미치는 영향을 규명하고자 해마의 기능과 관련이 높은 NGF, Synapsin I 및 ChAT의 발현 변화를 살펴보았다. 그 결과, 사회적 고립에 의해 해마에서 NGF, SynapsinⅠ, ChAT의 발현이 저하되었지만 EPC를 통해 유의 하게 완화되는 것으로 나타났다.
사회적 고립이란 무엇인가?
사회적 고립은 사회적 상호작용을 제한하는 형태의 환경적 스트레스로 사람과 동물에서 모두 심리적으로 중요한 스트레스 원인으로 작용을 하며[28], 뇌 기능과 관련하여 신경세포 분화 및 생성, 신경영양성 인자의 발현 등을 억제하여 부정적인 영향을 미치는 것으로 알려지고 있다[21,23,29]. 실제로 선행연구들을 살펴보면, 사회적 고립은 해마에서 NGF를 감소시킬 뿐만 아니라 Synapsin I 및 ChAT를 감소시켜 신경세포 분화 및 신경가소성에 부정적인 영향을 미치는 것으로 보고되고 있으며[15,20,35], 주의력 결핍 및 불안과 같은 행동장애와 신경 화학적 내분비계의 장애와 인지기능의 저하 같은 뇌의 다양한 기능장애를 유발하는 것으로 보고되고 있다[15].
사회적 고립 상황에서 운동은 신체에 어떤 영향을 미친다고 보고되었는가?
하지만 운동이 뇌기능에 있어 긍정적 영향을 미치는 것과 달리, 최근 사회적 고립 상황에서 운동을 적용한 Stranahan, Khalil, & Gould의 연구[30]에서는 사회적 고립에 의한 스트레스 호르몬의 과다분비 및 스트레스 민감성(sensitivity)의 증가로 인해 신경세포생성(neurogenesis)의 증가와 같은 운동의 긍정적인 효과가 억제되는 것으로 나타났으며, Leasure & Decker [18]는 사회적 고립이 운동을 통한 해마에서 전구세포(progenitor cell)의 분화(proliferation)를 감소시키는 것으로 보고하고 있어, 사회적 고립으로 인한 스트레스 상황에서는 운동을 통한 뇌기능의 긍정적 영향이 반감되는 것으로 나타나고 있다.
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