[보고서]카인산에 의한 신경독성과 학습기억능 저하에서 glutathione peroxidase-1 (GPx1) 유전자의 역할: GPx1 유전자 결핍 생쥐와 GPx1 유전자 과발현 생쥐의 응용

신은주

[국가R&D연구보고서] 카인산에 의한 신경독성과 학습기억능 저하에서 glutathione peroxidase-1 (GPx1) 유전자의 역할: GPx1 유전자 결핍 생쥐와 GPx1 유전자 과발현 생쥐의 응용
Role of glutathione peroxidase-1 (GPx1) gene in neurotoxicity and memory impairment induced by kainic acid: Application of GPx1 gene knockout mice and GPx1 gene overexpressing mice 원문보기

보고서 정보
주관연구기관	강원대학교 Kangwon National University
연구책임자	신은주
보고서유형	최종보고서
발행국가	대한민국
언어	한국어
발행년월	2019-06
과제시작연도	2018
주관부처	과학기술정보통신부 Ministry of Science and ICT
연구관리전문기관	한국연구재단 National Research Foundation of Korea
등록번호	TRKO201900020664
과제고유번호	1711071529
사업명	개인기초연구(과기정통부)(R&D)
DB 구축일자	2020-05-02
키워드	카인산.글루타치온 페록시다제-1.유전자결핍 및 과발현 생쥐.흥분독성.학습기억능 저하.세룰로플라스민.멜라토닌 수용체.경련용량.경련하용량.

초록 ▼

□ 연구개요
연구목표: 다양한 흥분성 신경독성/학습기억능 저하 모델에서 glutathione peroxidase-1 (GPx1)의 역할과 신호전달 물질들과의 상호작용을 규명.
연구내용: (1) 카인산에 의한 흥분성 신경독성 모델에서 ceruloplasmin과 IL-6간의 상호작용 규명/ (2) 경련하용량의 카인산에 의한 학습기억능 저하 모델에서 melatonin MT2 수용체와 Jak2/stat3의 상호작용 규명/ (3) Trimethyltin (TMT)에 의한 흥분성 신경독성 모델에서 IL-6와 muscarinic M1 수용체간의 상호작용 규명/ (4) PKCδ의 억제가 TMT에 의한 흥분성 신경독성 후 해마 치상회부분에서 나타나는 자발적 회복에 미치는 효과 규명/ (5) Microcystin에 의한 학습기억능 저하 조건에서 GPx1 유전자의 역할 규명

□ 연구 목표대비 연구결과
(1) 카인산에 의한 흥분성 신경독성 모델에서 ceruloplasmin과 IL-6가 PI3K/Akt/Nrf2 경로를 통해 상호작용함을 규명함.
(2) 경련하용량의 카인산이 유도하는 학습기억능 저하 모델에서 melatonin은 MT2 수용체를 통해 내인성 항산화 체계의 균형을 유지함으로써 학습기억능 항진효과를 나타냄. 또한 melatonin은 MT2 수용체를 통해 STAT3/ChAT 경로를 활성화시켜 acetylcholine 합성을 증가시켰으며, 이에 따른 cholinergic receptor의 활성화와 하위 PKCβII/ERK/CERB 경로를 통해 인지기억능을 항진시킴.
(3) TMT에 의한 흥분성 신경독성 모델에서 muscarinic M1 수용체 효현제가 보호작용을 나타냄. 또한, IL-6/JAK2/STAT3 신호전달체계가 muscarinic M1 수용체가 매개하는 신경 보호작용에 중요한 역할을 함을 제시함.
(4) Microcystin-Leucine-Arginine (MCLR)에 의한 흥분성 신경독성 모델에서 GPx와 SOD 활성간의 불균형 및 pro-inflammatory NFkB와 antioxidative Nrf2 할성간의 불균형이 관찰됨. GPx1 유전자의 과발현은 이런 변화를 반전시킴으로써 신경보호효과를 나타냄.
(5) 신경세포사를 유도하지 않는 저용량의 MCLR에 의해서도 학습기억능 저하가 유도되었으며, 신경세포사 기전과 기본적으로 같은 경향의 변화가 관찰되었음. 이 모델에서도 GPx1 유전자의 과발현이 내인성 항산화 시스템의 균형을 유지함으로써 학습기억능 항진효과를 나타냄.
(6) PKCδ의 억제제인 rottlerin은 성체신경생성작용을 항진시키고 on-going apoptotic change는 억제하여 TMT 유도 흥분성 신경독성 후 dentate gyrus의 자발적 회복을 촉진함.

□ 연구개발결과의 중요성
# 본 과제의 연구결과는 다양한 신경흥분독성 모델 (KA, TMT, microcystin, cocaine 등)에서 나타나는 신경세포사와 학습기억능 저하 조건에서 GPx1 및 glutathione system의 역할과 PKCδ, JAK2/STAT3, PI3K/Akt/Nrf2 등의 신호전달경로와의 상호작용을 규명하였음. 이 결구결과들은 관련된 병인기전을 이해하는데 도움이 될 수 있으며 추후 심화연구로 확장할 수 있음.
# 본 과제의 연구결과는 관련된 질병/조건에서 치료/완화 약물 개발의 표적을 제시함으로써, 추후 후보물질 개발 연구에 활용될 수 있는 중요한 결과임.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

표지 ... 1
연구결과 요약문 ... 2
목차 ... 3
1. 연구개발과제의 개요 ... 4
가. 연구개발의 필요성 ... 4
나. 연구목표 ... 5
다. 연구범위 ... 5
2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 6
3. 연구개발결과의 중요성 ... 16
4. 참고문헌 ... 16
5. 연구성과 ... 18
대표적 연구실적 ... 24
끝페이지 ... 39

표/그림 (17)

표 카인산에 의한 경련에 대한 IL-6의 효과. 각 수치는 6-8마리의 평균 ± 표준오차임. *P < 0.05, **P < 0.01 vs. WT/ Sal + Cp SO + Vehicle + KA; ##P < 0.01 vs. IL-6(-/-)/ Sal + Cp SO + Vehicle + KA; &P < 0.05, &&P < 0.01 vs. IL-6(-/-)/ rIL-6 + Cp SO + Vehicle + KA (ANOVA 혹은 repeated measures ANOVA 검정. 사후검정으로 Fisher’s LSD평가를 실행하였음)
표 카인산에 의한 해마조직에서의 Nrf2 핵내이동 (A), GCL 발현 (B), glutathione 농도 (B) 변화에 대한 IL-6의 효과. 각 수치는 5 마리의 평균 ± 표준오차임. §P < 0.05, §§P < 0.01 vs. corresponding Sal + Cp SO or Cp ASO + Vehicle + Sal; *P < 0.05, **P < 0.01 vs. WT/ Sal + Cp SO + Vehicle + KA; #P < 0.05, ##P < 0.01 vs. IL-6(-/-)/ Sal + Cp SO + Vehicle + KA; &P < 0.05, &&P < 0.01 vs. IL-6(-/-)/ rIL-6 + Cp SO + Vehicle + KA (ANOVA 검정. 사후검정으로 Fisher’s LSD평가를 실행하였음)
표 경련하용량의 카인산 투여 후 해마조직에서 나타나는 GPx-1 발현과 GPx 활성 (A), SOD-1의 발현과 활성 (B) 및 SOD-2 발현과 활성 (C)의 변화에 대한 melatonin의 효과. Melatonin의 효과는 4-P-PDOT (4-P) 혹은 AG490 (AG)으로 유의하게 반전되었음. Veh = Vehicle (10% DMSO, AG490의 용매). 각 수치는 6 마리의 평균 ± 표준오차임. *P < 0.05, **P < 0.01 vs. Sal + Sal; #P < 0.05 vs. Veh + Sal + KA; &P < 0.05 vs. Veh + Mel + KA (one-way ANOVA 검정 후 사후검정으로 Fisher’s LSD 평가를 실행하였음)
표 GPx-1 유전자 결핍생쥐와 GPx-1 유전자 과발현 생쥐에서 경련하용량의 카인산으로 유도된 학습기억능 저하에 대한 melatonin의 효과. 학습기억능은 Y-maze 평가 (A와 B)와 novel object recognition 평가 (C와 D)로 평가하였음. Melatonin의 효과는 4-P-PDOT (4-P) 혹은 AG490 (AG)으로 유의하게 반전되었음. Veh = Vehicle (10% DMSO, AG490의 용매). 각 수치는 10-15 마리의 평균 ± 표준오차임. *P < 0.05, **P < 0.01 vs. corresponding Sal + Sal; #P < 0.05, ##P < 0.01 vs. corresponding Veh + Sal + KA; §P < 0.05, §§P < 0.01 vs. corresponding GPx-1 (+/+) or GPx-1 Non-TG (two-way ANOVA 검정 후 사후검정으로 Fisher’s LSD 평가를 실행하였음)
표 GPx-1 유전자 결핍생쥐와 GPx-1 유전자 과발현 생쥐에서 경련 하용량의 카인산으로 유도된 PKCβII와 p-ERK 발현의 변화에 대한 melatonin의 효과. Veh = Vehicle (10% DMSO, AG490의 용매). 각 수치는 6 마리의 평균 ± 표준오차임. *P < 0.05, **P < 0.01 vs. corresponding Sal + Sal; #P < 0.05, ##P < 0.01 vs. corresponding Veh + Sal + KA; §P < 0.05, §§P < 0.01 vs. corresponding GPx-1 (+/+) or GPx-1 Non-TG (two-way ANOVA 검정 후 사후검정으로 Fisher’s LSD 평가를 실행하였음)
표 TMT 유도 경련에 대한 McN-A-343 (McN)의 효과. Dic = dicyclomine (M1 수용체 길항제). AG = AG490 (JAK2/STAT3 억제제). 각 수치는 15 마리의 평균 ± 표준오차임. **P < 0.01 vs. Veh + Sal + Sal; #P < 0.05 vs. Veh + Sal + TMT; &P < 0.05, &&P < 0.01 vs. Veh + McN + TMT (ANOVA 검정. 사후검정으로 Fisher’s LSD평가를 실행하였음)
표 TMT에 의한 apoptotic marker들의 변화에 대한 McN-A-343 (McN)의 효과. Dic = dicyclomine (M1 수용체 길항제). AG = AG490 (JAK2/STAT3 억제제). 각 수치는 6 마리의 평균 ± 표준오차임. *P < 0.05, **P < 0.01 vs. Veh + Sal + Sal; #P < 0.05, ##P < 0.01 vs. Veh + Sal + TMT; &P < 0.05, &&P < 0.01 vs. Veh + McN + TMT (ANOVA 검정. 사후검정으로 Fisher’s LSD평가를 실행하였음)
표 TMT 투여 2일 후 dentate gyrus에 나타나는 apoptosis에 대한 McN-A-343 (McN)의 효과. Apoptosis는 TUNEL 염색으로 평가하였음. Dic = dicyclomine (M1 수용체 길항제). AG = AG490 (JAK2/STAT3 억제제). 각 수치는 6 마리의 평균 ± 표준오차임. **P < 0.01 vs. Veh + Sal + Sal; #P < 0.01 vs. Veh + Sal + TMT; &&P < 0.01 vs. Veh + McN + TMT (one-way ANOVA 검정후 사후검정으로 Fisher’s LSD 평가를 실행하였음)
표 TMT로 인한 GCLc와 GCLm 발현 변화에 대한 McN-A-343 (McN)의 효과. Dic = dicyclomine (M1 수용체 길항제). AG = AG490 (JAK2/STAT3 억제제). 각 수치는 6 마리의 평균 ± 표준오차임. 각 수치는 6 마리의 평균 ± 표준오차임. one-way ANOVA 검정 후 사후검정으로 Fisher’s LSD 평가를 실행하였음
표 신경독성용량의 MCLR 투여 후 시간에 따른 SOD 활성, GPx 활성과 발현의 변화. *P < 0.05, **P < 0.01 vs. O h after MCLR (ANOVA 검정. 사후검정으로 Fisher’s LSD평가를 실행하였음)
표 신경독성용량의 MCLR 투여 후 시간에 따른 NFkB DNA binding activity 및 Nrf2 DNA binding activity의 변화. *P < 0.05, **P < 0.01 vs. O h after MCLR (ANOVA 검정. 사후검정으로 Fisher’s LSD평가를 실행하였음)
표 MCLR 유도 치사율 및 신경독성에 대한 GPx-1 유전자의 과발현 및 PDTC의 효과. 각 수치는 5 마리의 평균 ± 표준오차임. *p < 0.05, **p < 0.01 vs. corresponding vehicle; &p < 0.05, &&p < 0.01 vs. non-Tg mice treated with MCLR [Chi-square test (A) 혹은 three-way ANOVA followed by Fisher’s LSD pairwise comparisons tests (C)]. Scale bar = 200 μm
표 저용량 MCLR로 유도된 학습기억능 저하에 대한 GPx-1 유전자의 과발현의 효과. 학습기억능은 Morris water maze (A, B)와 passive avoidance test (C)로 측정하였음. 각 수치는 7-12 마리의 평균 ± 표준오차임. *p < 0.05, **p < 0.01 vs. corresponding vehicle; &p < 0.05 vs. non-Tg mice treated with MCLR (4 ng/ul) [repeated measures ANOVA (A) 혹은 two-way ANOVA (B와 C) followed by Fisher’s LSD pairwise comparisons tests (C)]
표 저용량 MCLR로 유도된 학습기억능 저하와 GPx/SOD 활성비 혹은 GSH/GSSG 비율 간의 상관관계. Pearson’s correlation analysis로 평가하였음
표 TMT 투여 5일 후 TUNEL staining과 DCX 발현 변화에 대한 rottlerin 후투여의 효과. Veh = vehicle, Sal = saline, Rot = rottlerin. 각 수치는 5~6 마리의 평균 ± 표준오차임. **P < 0.01 vs. Veh + Sal; #P < 0.05, ##P < 0.01 vs. Veh + TMT (Two-way ANOVA. 사후검정으로 Fisher’s LSD 평가를 실행하였음)
표 TMT 투여 5일 후 p-ERK의 변화에 대한 rottlerin 후투여의 효과. Veh = vehicle, Sal = saline, Rot = rottlerin. 각 수치는 5~6 마리의 평균 ± 표준오차임. **P < 0.01 vs. Veh + Sal; #P < 0.05 vs. Veh + TMT (Two-way ANOVA. 사후 검정으로 Fisher’s LSD평가를 실행하였음)
표 TMT 투여 5일 후 pro-apoptotic factor들 (Bax, Bad)과 anti-apoptotic factor들 (p-Akt, Bcl-2, Bcl-xL)의 발현 변화에 대한 rottlerin 후투여의 효과. Veh = vehicle, Sal = saline, Rot = rottlerin. 각 수치는 4~5 마리의 평균 ± 표준오차임. *P < 0.05, **P < 0.01 vs. Veh + Sal; #P < 0.05 vs. Veh + TMT (Two-way ANOVA. 사후검정으로 Fisher’s LSD평가를 실행하였음)

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