[논문]장기간 예측 불가능한 스트레스를 받은 마우스 해마에서 p11 유전자의 히스톤 아세틸화 및 메틸화의 조절

서미경; 석대현; 박성우

doi:10.5352/jls.2021.31.11.995

장기간 예측 불가능한 스트레스를 받은 마우스 해마에서 p11 유전자의 히스톤 아세틸화 및 메틸화의 조절
Regulation of Histone Acetylation and Methylation of the p11 Gene in the Hippocampus of Chronic Unpredictable Stress-induced Depressive Mice 원문보기

생명과학회지 = Journal of life science, v.31 no.11, 2021년, pp.995 - 1003

서미경 (인제대학교 백인제기념임상의학연구소) , 석대현 (인제대학교 의과대학 생화학교실) , 박성우 (인제대학교 백인제기념임상의학연구소)

초록
AI-Helper

크로마틴 리모델링은 후성유전기전을 통해 유전자 발현을 조절한다. 비정상적인 히스톤 변형이 우울증 발생에 관여하는 것으로 알려져 있다. p11 (S100A10)은 인간과 설치류에서 우울증의 병태생리에 관여한다고 보고되었다. 본 연구는 우울증 동물모델인 장기간 예측 불가능한 스트레스가 마우스 해마에서 p11 유전자 promoter의 히스톤 변형에 미치는 영향을 조사하고자 하였다. C57BL/6 마우스에 21일 동안 스트레스를 가하고, 강제수영검사를 수행하여 우울 유사 행동 양상을 측정하였다. Real time PCR 및 Western blotting 분석법으로 p11 발현 변화를 조사하였으며, 염색질 면역침전분석법을 수행하여 p11 promoter의 히스톤 H3 아세틸화 및 메틸화 양을 측정하였다. 장기간 예측 불가능한 스트레스는 강제수영검사에서 부동시간을 증가시켜 우울 유사 행동을 나타내었으며, 해마의 p11 mRNA 및 단백질 발현을 유의하게 감소시켰다. 또한 p11 promoter의 히스톤 H3 아세틸화(Ac-H3) 및 H3-K4 트리메틸화(H3K4met3)를 유의하게 감소시켰으며, H3-K27 트리메틸화(H3K27met3)를 증가시켰다. 본 연구결과는 만성 스트레스가 해마에서 p11 유전자의 후성유전적 억제를 야기하여 p11 유전자의 발현을 감소시킴을 시사한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Chromatin remodeling regulates gene expression through epigenetic mechanisms. Aberrations in histone modification have been associated with depression-like behaviors in animal models. Additionally, growing evidence also indicates that epigenetic modification is associated with depression. p11 (S100A10) has been implicated in the pathophysiology of depression both in human and rodent models. In the present study, we investigated alterations in histone acetylation and methylation at the promoter of the p11 gene in the hippocampus of mice subjected to chronic unpredictable stress (CUS). C57BL/6 mice were exposed to CUS daily for 3 weeks. Depression-like behaviors were measured with the forced swimming test (FST). The levels of hippocampal p11 expression were analyzed by quantitative real-time polymerase chain reaction (PCR) and Western blotting. The levels of acetylated and methylated histone H3 at the promoter of p11 were measured by chromatin immunoprecipitation followed by real-time PCR. CUS-exposed mice displayed depression-like behaviors with prolonged immobility in FST. CUS led to significant decreases in the expression of p11 at both protein and mRNA levels. Meanwhile, there was a decrease in histone H3 acetylation (Ac-H3) and H3-K4 trimethylation (H3K4met3) and an increase in H3-K27 trimethylation (H3K27met3) at the p11 promoter. These results indicate that chronic stress causes the epigenetic suppression of p11 expression in the hippocampus.

주제어

표/그림 (5)

표 Table 1. Stressor used in the chronic unpredictable stress (CUS)
표 Table 2. Lists of all primers used in this study
그림 Fig. 1. Effect of chronic unpredictable stress (CUS) on mice behavior in the forced swimming test (FST). Mice were subjected to CUS (n=14-17 animals/group) for 3 weeks. Immobility time was measured 24 hr after the last CUS session. CON, control mice; CUS, CUS exposed mice. Data represent the mean ± S.E.M. *p<0.05 vs. CON group.
그림 Fig. 2. Effects of CUS on the expression of p11 mRNA and protein in the hippocampus of mice. Mice were subjected to CUS (n=14-17 animals/ group) for 3 weeks. The p11 mRNA levels (A) in the hippocampus were measured by quantitative real-time reverse transcription polymerase chain reaction (RT-PCR). Quantitative analysis was normalized to Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH). Results are expressed as a value relative to the control group (CON) using the 2^-△△ct method. The p11 protein levels (B) were determined by Western blotting. A representative image and quantitative analysis normalized to the α-tubulin band are shown. Values are mean ± S.E.M expressed as a percentage of the control group (CON). CON, control mice; CUS, CUS exposed mice. *p<0.05 vs. CON group.
그림 Fig. 3. Effects of CUS on the levels of histone H3 acetylation and methylation at p11 promoter in the hippocampus of mice. Mice were subjected to CUS (n=5-6 animals/group) for 3 weeks. Chromatin immunoprecipitation (ChIP) assays were performed to measure the levels of acetylated H3 (A), trimethylated H3K4 (B) and trimethylated H3K27 (C) at p11 promoter in the hippocampus using anti-acetyl-H3 (K9+K14), anti-H3K4met3, and anti-H3K27met3 antibodies, respectively. Quantitative analysis was normalized to the 'input' DNA. Results are expressed as a value relative to the control group (CON) using the 2^-△△ct method. CON, control mice; CUS, CUS exposed mice. ^*p<0.05 vs. CON group. ^**p<0.01 vs. CON group.

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구는 만성 스트레스가 히스톤 변형을 통해 해마의 p11 발현을 조절하는지를 조사하였다. 만성 스트레스는 우울증 동물모델로 알려져 있는 장기간 예측 불가능한 스트레스 (chronic unpredictable stress; CUS)를 사용하였다.

제안 방법

장기간 예측 불가능한 스트레스는 p11 발현을 감소시켰다. p11발현 감소에 p11 유전자의 후성유전기전이 관여하는지를 알아보기 위하여, p11 promoter 영역에서 히스톤 H3의 아세틸화 및 메틸화 양을 측정하였다. CON군(1.

대상 데이터

7주령 C57/BL6 마우스(Orient Bio, Songnam, Korea)를 1주일 동안 사육 환경에 적응시켰다. 적정 온도(21±2℃)와 습도 (50±10%), 12시간 낮/밤 주기를 유지하여 충분한 물과 사료를 공급하였다.

데이터처리

대조군과 CUS군의 결과값은 unpaired Student’s t-test에서 분석하였다
모든 실험결과는 평균값±표준 오차로 나타내었다

이론/모형

본 연구는 만성 스트레스가 히스톤 변형을 통해 해마의 p11 발현을 조절하는지를 조사하였다. 만성 스트레스는 우울증 동물모델로 알려져 있는 장기간 예측 불가능한 스트레스 (chronic unpredictable stress; CUS)를 사용하였다.

성능/효과

또한 H3K4의 트리메틸화를 감소시켰으며, H3K27의트리메틸화를 증가시킴으로써 p11 유전자의 발현 감소에 영향을 미치는 것으로 보인다. 따라서, 만성 스트레스는 p11의 발현을 감소시키는데, 이러한 기전에 히스톤 H3 아세틸화 및 메틸화 기전이 관여한다는 것을 알 수 있다.
CUS는 히스톤 H3에서 2개의 라이신 잔기(K9와 K14)의 아세틸화를 감소시켰다. 또한 H3K4의 트리메틸화를 감소시켰으며, H3K27의트리메틸화를 증가시킴으로써 p11 유전자의 발현 감소에 영향을 미치는 것으로 보인다. 따라서, 만성 스트레스는 p11의 발현을 감소시키는데, 이러한 기전에 히스톤 H3 아세틸화 및 메틸화 기전이 관여한다는 것을 알 수 있다.
본 연구결과를 통해 CUS 우울증 모델에서 해마의 p11 유전자 발현은 p11 프로모터의 히스톤 아세틸화 및 메틸화 조절과 서로 가깝게 연관된다는 것을 알 수 있다. 이러한 기전은 우울증 발병 기전에 부분적으로 기여할 것으로 추정된다.
본 연구에서 우울증 모델인 장기간 예측 불가능한 스트레스 (CUS)가 해마에서 p11 promoter의 히스톤 변형을 통해 p11 유전자의 발현이 감소하였다는 것을 확인하였다. CUS는 히스톤 H3에서 2개의 라이신 잔기(K9와 K14)의 아세틸화를 감소시켰다.

후속연구

이를 개선하기 위해서는 우울증 발생 기전에 대한 포괄적인 연구가 수행되어야 한다. 따라서 CUS 모델을 활용하여 향후 우울증 치료제의 후성유전학적 항우울작용 기전을 조사한다면 우울증 후성유전 치료제 개발 및 우울증 후성유전 중개연구 활성화에 도움이 될 것이다.
이는 우울증 발생 기전이 정확히 밝혀져 있지 않기 때문이다. 이를 개선하기 위해서는 우울증 발생 기전에 대한 포괄적인 연구가 수행되어야 한다. 따라서 CUS 모델을 활용하여 향후 우울증 치료제의 후성유전학적 항우울작용 기전을 조사한다면 우울증 후성유전 치료제 개발 및 우울증 후성유전 중개연구 활성화에 도움이 될 것이다.

참고문헌 (46)

Alfarez, D. N., Joels, M. and Krugers, H. J. 2003. Chronic unpredictable stress impairs long-term potentiation in rat hippocampal CA1 area and dentate gyrus in vitro. Eur. J. Neurosci. 17, 1928-34.

상세보기
Banasr, M., Valentine, G. W., Li, X. Y., Gourley, S. L., Taylor, J. R. and Duman, R. S. 2007. Chronic unpredictable stress decreases cell proliferation in the cerebral cortex of the adult rat. Biol. Psychiatry 62, 496-504.

상세보기
Berger, S. L. 2007. The complex language of chromatin regulation during transcription. Nature 447, 407-412.

상세보기
Borrelli, E., Nestler, E. J., Allis, C. D. and Sassone-Corsi, P. 2008. Decoding the epigenetic language of neuronal plasticity. Neuron 60, 961-974.

상세보기
Choi, J. K. and Howe, L. J. 2009. Histone acetylation: truth of consequences? Biochem. Cell Biol. 87, 139-150.

상세보기
Chung, Y. I. 1999. Experimental models of depression. Kor. J. Biol. Psychiatry 6, 161-169.
Egeland, M., Warner-Schmidt, J., Greengard, P. and Svenningsson, P. 2010. Neurogenic effects of fluoxetine are attenuated in p11 (S100A10) knockout mice. Biol. Psychiatry 67, 1048-1056.

상세보기
Erburu, M., Munoz-Cobo, I., Dominguez-Andres, J., Beltran, E., Suzuki, T., Mai, A., Valente, S., Puerta, E. and Tordera, R. M. 2015. Chronic stress and antidepressant induced changes in Hdac5 and Sirt2 affect synaptic plasticity. Eur. Neuropsychopharmacol. 25, 2036-2048.

상세보기
Eriksson, T. M., Alvarsson, A., Stan, T. L., Zhang, X., Hascup, K. N., Hascup, E. R., Kehr, J., Gerhardt, G. A., WarnerSchmidt, J., Arango-Lievano, M., Kaplitt, M. G., Ogren, S. O., Greengard, P. and Svenningsson, P. 2013. Bidirectional regulation of emotional memory by 5-HT1B receptors involves hippocampal p11. Mol. Psychiatry 18, 1096-1105.

상세보기
Feder, A., Nestler, E. J. and Charney, D. S. 2009. Psychobiology and molecular genetics of resilience. Nat. Rev. Neurosci. 10, 446-457.

상세보기
Ferland, C. L. and Schrader, L. A. 2011. Regulation of histone acetylation in the hippocampus of chronically stressed rats: a potential role of sirtuins. Neuroscience 174, 104-114.

상세보기
Fuchikami, M., Morinobu, S., Kurata, A., Yamamoto, S. and Yamawaki, S. 2009. Single immobilization stress differentially alters the expression profile of transcripts of the brain-derived neurotrophic factor (BDNF) gene and histone acetylation at its promoters in the rat hippocampus. Int. J. Neuropsychopharmacol. 12, 73-82.

상세보기
Gallinari, P., Di, Marco, S., Jones, P., Pallaoro, M. and Steinkuhler, C. 2007. HDACs, histone deacetylation and gene transcription: from molecular biology to cancer therapeutics. Cell Res. 17, 195-211.

상세보기
Go, D. S., Kim, Y. E., Paik, J. W., Roh, S. W. and Yoon, S. J. 2020. A comparison of disease burden and the government budget for mental health in Korea. J. Ment. Health https://doi.org/10.1080/09638237.2020.1765999

상세보기
Heine, V. M., Maslam, S., Zareno, J., Joels, M. and Lucassen, P. J. 2004. Suppressed proliferation and apoptotic changes in the rat dentate gyrus after acute and chronic stress are reversible. Eur. J. Neurosci. 19, 131-144.

상세보기
Hobara, T., Uchida, S., Otsuki, K., Matsubara, T., Funato, H., Matsuo, K., Suetsugi, M. and Watanabe, Y. 2010. Altered gene expression of histone deacetylases in mood disorder patients. J. Psychiatr. Res. 44, 263-270.

상세보기
Hunter, R. G., McCarthy, K. J., Milne, T. A., Pfaff, D. W. and McEwen, B. S. 2009. Regulation of hippocampal H3 histone methylation by acute and chronic stress. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 106, 20912-20917.

상세보기
Izzo, A. and Schneider, R. 2010. Chatting histone modifications in mammals. Brief Funct. Genomics 9, 429-443.

상세보기
Krishnan, V. and Nestler, E. J. 2008. The molecular neurobiology of depression. Nature 455, 894-902.

상세보기
Li, H. Y., Jiang, Q. S., Fu, X. Y., Jiang, X. H., Zhou, Q. X. and Qiu, H. M. 2017. Abnormal modification of histone acetylation involved in depression-like behaviors of rats induced by chronically unpredicted stress. Neuroreport 28, 1054-1060.

상세보기
Liu, D., Qiu, H. M., Fei, H. Z., Hu, X. Y., Xia, H. J., Wang, L. J., Qin, L. J., Jiang, X. H. and Zhou, Q. X. 2014. Histone acetylation and expression of mono-aminergic transmitters synthetases involved in CUS-induced depressive rats. Exp. Biol. Med. (Maywood) 239, 330-336.

상세보기
McEwen, B. S. and Morrison, J. H. The brain on stress: vulnerability and plasticity of the prefrontal cortex over the life course. Neuron 79, 16-29.

상세보기
Melas, P. A., Rogdaki, M., Lennartsson, A., Bjork, K., Qi, H., Witasp, A., Werme, M., Wegener, G., Mathe, A. A., Svenningsson, P. and Lavebratt, C. 2012. Antidepressant treatment is associated with epigenetic alterations in the promoter of P11 in a genetic model of depression. Int. J. Neuropsychopharmacol. 15, 669-679.

상세보기
Neyazi, A., Theilmann, W., Brandt, C., Rantamaki, T., Matsui, N., Rhein, M., Kornhuber, J., Bajbouj, M., Sperling, W., Bleich, S., Frieling, H. and Loscher, W. 2018. p11 promoter methylation predicts the antidepressant effect of electroconvulsive therapy. Transl. Psychiatry 8, 25.

상세보기
Newell-Price, J., Clark, A. J. and King, P. 2000. DNA methylation and silencing of gene expression. Trends Endocrinol. Metab. 11, 142-148.

상세보기
Planchez, B., Surget, A. and Belzung, C. 2019. Animal models of major depression: drawbacks and challenges. J. Neural. Transm. (Vienna) 126, 1383-1408.

상세보기
Porsolt, R. D., Le Pichon, M. and Jalfre, M. 1977. Depression: a new animal model sensitive to antidepressant treatments. Nature 266, 730-732.

상세보기
Schroeder, F. A., Lin, C. L., Crusio, W. E. and Akbarian, S. 2007. Antidepressant-like effects of the histone deacetylase inhibitor, sodium butyrate, in the mouse. Biol. Psychiatry 62, 55-64.

상세보기
Seo, M. K., Choi, A. J., Seog, D. H., Lee, J. G. and Park, S. W. 2021. Early enriched environment prevents epigenetic p11 gene changes induced by adulthood stress in mice. Int. J. Mol. Sci. 22, 1928.

상세보기
Seo, M. K., Lee, J. G. and Park, S. W. 2021. Early life stress induces age-dependent epigenetic changes in p11 gene expression in male mice. Sci. Rep. 11, 10663.

상세보기
Seo, M. K., Ly, N. N., Lee, C. H., Cho, H. Y., Choi, C. M., Nhu, L. H., Lee, J. G., Lee, B. J., Kim, G. M., Yoon, B. J., Park, S. W. and Kim, Y. H. 2016. Early life stress increases stress vulnerability through BDNF gene epigenetic changes in the rat hippocampus. Neuropharmacology 105, 388-397.

상세보기
Sun, H., Pamela, J. K. and Nestler, E. J. 2013. Epigenetics of the depressed brain: role of histone acetylation and methylation. Neuropsychopharmacology 38, 124-137.

상세보기
Svenningsson, P., Chergui, K., Rachleff, I., Flajolet, M., Zhang, X., El, Y. M., Vaugeois, J. M., Nomikos, G. G. and Greengard, P. 2006. Alterations in 5-HT1B receptor function by p11 in depression-like states. Science 311, 77-80.

상세보기
Svenningsson, P., Kim, Y., Warner-Schmidt, J., Oh, Y. S. and Greengard, P. 2013. p11 and its role in depression and therapeutic responses to antidepressants. Nat. Rev. Neurosci. 14, 673-680.

상세보기
Tsankova, N. M., Berton, O., Renthal, W., Kumar, A., Neve, R. L. and Nestler, E. J. 2006. Sustained hippocampal chromatin regulation in a mouse model of depression and antidepressant action. Nat. Neurosci. 9, 519-525.

상세보기
Wang, J., Yuan, J., Pang, J., Ma, J., Han, B., Geng, Y., Shen, L., Wang, H., Ma, Q., Wang, Y. and Wang, M. 2016. Effects of Chronic Stress on Cognition in Male SAMP8 Mice. Cell Physiol. Biochem. 39, 1078-1086.

상세보기
Wang, Y. and Leung, F. C. An evaluation of new criteria for CpG islands in the human genome as gene markers. 2004. Bioinformatics 20, 1170-1177.

상세보기
Warner-Schmidt, J. L., Chen, E. Y., Zhang, X., Marshall, J. J., Morozov, A., Svenningsson, P. and Greengard, P. 2010. A role for p11 in the antidepressant action of brain-derived neurotrophic factor. Biol. Psychiatry 68, 528-535.

상세보기
Warner-Schmidt, J. L., Flajolet, M., Maller, A., Chen, E. Y., Qi, H., Svenningsson, P. and Greengard, P. 2009. Role of p11 in cellular and behavioral effects of 5-HT4 receptor stimulation. J. Neurosci. 29, 1937-1946.

상세보기
Weaver, I. C., Cervoni, N., Champagne, F. A., D'Alessio, A. C., Sharma, S., Seckl, J. R., Dymov, S., Szyf, M. and Meaney, M. J. 2004. Epigenetic programming by maternal behavior. Nat. Neurosci. 7, 847-854.

상세보기
Weaver, I. C., D'Alessio, A. C., Brown, S. E., Hellstrom, I. C., Dymov, S., Sharma, S., Szyf, M. and Meaney, M. J. 2007. The transcription factor nerve growth factor-inducible protein a mediates epigenetic programming: altering epigenetic marks by immediate-early genes. J. Neurosci. 27, 1756-1768.

상세보기
Willner, P. 2005. Chronic mild stress (CMS) revisited: consistency and behavioural-neurobiological concordance in the effects of CMS. Neuropsychobiology 52, 90-110.

상세보기
Wu, C. T. and Morris, J. R. 2001. Genes, genetics, and epigenetics: a correspondence. Science 293, 1103-1105.

상세보기
Yamawaki, Y., Fuchikami, M., Morinobu, S., Segawa, M., Matsumoto, T. and Yamawaki, S. 2012. Antidepressant-like effect of sodium butyrate (HDAC inhibitor) and its molecular mechanism of action in the rat hippocampus. World J. Biol. Psychiatry 13, 458-467.

상세보기
Yan, H. C., Cao, X., Das, M., Zhu, X. H. and Gao, T. M. 2010. Behavioral animal models of depression. Neurosci. Bull. 26, 327-337.

상세보기
Zhu, H., Huang, Q., Xu, H., Niu, L. and Zhou, J. N. 2009. Antidepressant-like effects of sodium butyrate in combination with estrogen in rat forced swimming test: involvement of 5-HT(1A) receptors. Behav. Brain Res. 196, 200-206.

상세보기

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증