IDENTIFICATION OF NOVEL GENE INVOLVED IN MAJOR DEPRESSION THROUGH EXERCISE AND ELECTROCONVULSIVE SEIZURE (ECS)

Abstract

본 연구의 목적은 운동을 통한 뇌중추계 조절기전과 운동에 의한 신경성영양인자 또는 신경간 신호전달에 관여하는 요소들의 변화를 관찰함으로써, 뇌의 건강, 특히 우울증 개선을 위한 작용점을 밝히는 데 있다. 특히 자발적인 운동의 경우 스트레스에 의한 뇌의 위축을 막아주며, 신경의 건강과 학습 및 기억에 대한 인지적 능력에 중요한 기능을 한다고 알려져 있다. 이렇게 운동이 우울증과 같은 정실질환을 비롯한 건강에 많은 이로운 점들이 있다는 것은 잘 알려져 있지만, 그 정확한 기전에 대한 연구는 절대적으로 부족한 실정이다. 이러한 우울증과 관련해 현재까지 가장 잘 효과가 있다고 하는 치료법은 전기 자극 요법 (Electro Convulsive Seizure, ECS)이고 항우울제로 치료되지 않는 사람들에게도 효과적이다. 많은 선행 연구가 있지만 이 치료법 역시 항 우울 효과를 매개하는 정확한 기전이 밝혀진 것은 없다.이에 본 연구진은 기존에 NCBI GEO data set 및 Pubmed의 몇 논문에 공개되어 있는 microarray data set (자발적 운동과 전기 자극 요법을 주고 뇌의 감정부분을 담당하고 있는 해마 부위를 실험 동물에서 채취해 DNA 발현 정도를 실험)을 이용하여 자발적 운동과 전기 자극 요법에 의해 공통적으로 변하는 유전자들을 찾아 이를 효과적인 항 우울 작용점의 후보 군으로 가정한다. 그 중 생리∙생화학적 분석을 통해 새로운 항 우울 후보유전자를 찾아내고, 마지막으로 이것들이 우울증에 미치는 영향을 밝히고자 하였다. 이를 위해 중합효소연쇄반응 (PCR)을 통해 실제 자발적 운동과 전기 자극 요법에 의해 후보 군의 DNA의 양이 변화하는 가를 실험 동물의 해마부위에서 살펴보았고 기존에 알려진 Brain-Derived Neurotrophic factor (BDNF), Glutamate transporters (EAAT/SLC1A1), Cyclooxygenase2 (COX2) 그리고 Neuropeptide Y (NPY) 가 각 자극에 의해 공통적으로 변한 것을 확인했고, 추가적으로 기존에 알려지지 않은 새로운 후보로 Macrophage migration inhibitory factor (MIF)를 찾아냈다. 특히 면역염색법을 이용하여 지속적인 운동과 전기충격요법에 의해 해마부분의 MIF 단백질 양이 증가되어 있는 것을 확인하였다. MIF는 염증전 매개인자 (proinflammatory cytokine)로 신경세포를 포함한 여러 세포에서 발현하여 immune response 및 당질코르티코이드 (glucocorticoid)에 길항적 작용을 하는 것으로 알려져 있다. 또한 P53 pathway를 거쳐 cell survival에 관여한다고 알려져 있다. 보통 우울증 환자의 경우 당질코르티코이드의 수준이 높고 neuron에서는 cell loss와 atrophy가 일어나기 때문에 MIF가 의미 있는 항 우울증 작용점의 매력적인 후보였다. 정제된 MIF를 쥐의 뇌실에 주입했을 때 항 우울증 효과와 같은 행동양상을 보였고 MIF가 결핍되어 있는 쥐(Mif–/–)에서는 우울증과 비슷한 행동 양상을 보였다. 더욱이 한배에서 나온 와일드 타입 쥐의 경우 운동을 통해 항 우울증 효과를 보였지만, MIF가 결핍되어 있는 쥐(Mif–/–)에서는 운동에 의한 항 우울증 효과가 경감되는 것을 실험을 통해 확인하였다. 이러한 현상에 대한 메커니즘을 알기 위하여 우울증과 관련된 신경조직 발생과 신경전달 물질에 관련된 후보 유전자를 신경세포에 MIF 투여 후 중합효소연쇄반응 통하여 동정한 결과, BDNF와 Tryptophan hydroxylase 2 (TPH2)의 유전자 양이 증가되어 있는 것을 확인하였고 단백질 수준도 같은 상관관계로 증가되어 있는 것을 western-blot 방법으로 확인하였다. TPH2는 serotonin 합성의 결정에 중요한 역할을 하는 반응효소 이다. 다음으로 serotonin의 양을 세포에서 High performance liquid chromatography (HPLC)를 통해 측정한 결과 대조군에 비해 MIF를 세포를 처리한 쪽에서 serotonin 양이 증가되어 있는 것을 확인하였다. 이러한 현상은 MIF의 receptor인 CD74를 small interfering RNA (siRNA)로 막았을 때와 그 밑의 신호전달 물질인 MAPK pathway를 억제제로 막았을 경우, MIF에 의한 serotonin의 양이 대조군과 유의하게 다르지 않다는 것을 확인하였다. 일련의 실험으로 MIF가 serotonin을 통한 신경전달물질 (neurotransmission) 활성화와 BDNF를 통한 신경조직 발생 (neurogenesis)을 통하여 운동에 의한 항 우울 효과를 조절할 수 있다는 새로운 사실을 규명하였다. 이 연구를 통하여 새로운 기작의 새로운 항우울제의 타겟을 발견하였을 뿐 아니라 운동에 의한 항우울 효과의 기전을 밝힘으로써 뇌에서의 우울증 바이오 마커로의 사용도 가능 할 것으로 보인다. 우울증 환자들의 임상적인 실험이 뒷받침 된다면, 이번 연구는 궁극적으로 급격히 늘고 있는 우울증 환자들의 삶의 질을 개선할 수 있을 것으로 보인다.

Voluntary exercise is known to have an antidepressant effect. However, the underlying mechanism remains unclear and little progress has been made in identifying genes that are directly involved. We identified macrophage migration inhibitory factor (MIF) by analyzing existing mRNA microarray data and confirmed the augmented expression of selected genes under two experimental conditions: voluntary exercise and electroconvulsive seizure (ECS). A proinflammatory cytokine, MIF, is expressed in the central nervous system and involved in innate and adaptive immune responses. A recent study reported that MIF is involved in antidepressant-induced hippocampal neurogenesis, but the mechanism remains elusive. In our data, tryptophan hydroxylase 2 (Tph2) and Bdnf expression were induced after MIF treatment in vitro as well as during both exercise and ECS in vivo. This was accompanied by increases in the levels of total serotonin in vitro. Furthermore, CD74, one of the receptors for MIF, and extracellular signal-regulated kinase 1/2 (ERK1/2) mediate the MIF-induced Tph2 and Bdnf gene expression as well as serotonin content. Experiments in knockout mice (Mif–/–) showed depression-like behaviors, and the antidepressant effect of exercise was blunted in Mif–/– mice, which was reflected in the forced swim test (FST) with changes in the expression of Tph2 and Bdnf. In addition, administration of recombinant MIF protein produced antidepressant-like behavior in rats in the FST. Taken together, these results suggest a novel role of MIF in mediating the antidepressant action of exercise, probably by enhancing serotonin neurotransmission and neurotrophic factor-induced neurogenesis in the brain.