Chronic Restraint Stress Induces Hippocampal Memory Deficits by Impairing Insulin Signaling

Abstract

세포의 항상성은 세포의 생존과 사멸 간의 균형있는 조절을 통해 유지되며, 이를 잘 조절하여 다양한 신경퇴행성 질환들을 개선하기위한 보다 나은 치료를 제시할 수 있다. 많은 신경퇴행성 질환을 가진 환자들은 인슐린의 감소와 학습 및 기억력의 감퇴를 보인다. 이를 관장하는 해마는 인슐린 저항성이나 감소에 가장 민감하게 반응하는 기관이다. 스트레스는 학습 및 기억에 영향을 미칠 수 있는 주요한 원인 중 하나이다. 이러한 학습 및 기억은 해마에 의해 통제 받고 있으며, 해마의 발달 및 기능은 인슐린 신호전달 경로에 의해 주로 조절을 받는다. 하지만, 해마에 영향을 미칠 수 있는 스트레스와 인슐린 신호전달 경로 사이에 연관된 분자적 수준의 메커니즘은 잘 알려져 있지않다. 이번 연구는 만성적인 스트레스와 해마의 기능 간에 인슐린 신호전달 경로가 중요하게 작용하는지를 밝혀냈다. 스트레스는 세포수준에서 인슐린 신호전달 경로를 손상시키고 자가포식현상을 일으켰다. 또한, 만성적인 스트레스를 받은 마우스에서 해마 내 인슐린 신호전달 경로가 손상되어 해마의 기능이 떨어진다는 결과를 인슐린 신호전달 경로에 관여하는 물질들의 변화와 인지 및 기억 능력의 저하를 확인하는 행동실험을 통해 밝혀냈다. 또한 코를 통해 인슐린을 흡입시키는 방법을 통해 인슐린 신호전달 경로의 회복 및 해마의 기능 회복을 확인함으로써, 마우스에서 만성적 스트레스가 인슐린 신호전달 경로에 손상을 일으켜 해마의 기능을 떨어뜨린다는 연구결과를 다시 한번 뒷받침하였다. 배양한 해마 신경줄기세포와 신경세포에 스트레스 호르몬인 코티코스테론을 처리하였을 때, 이 세포들에서 인슐린 신호전달 경로의 활성을 나타내는 대표 물질들(IRS, Akt, mTOR)이 비활성화 및 억제되어 인슐린 신호전달 경로가 저해되는 것을 확인하였고, 이때 이 세포들은 자가포식현상을 보이며 죽었다. 마우스에 만성적 스트레스를 주었을 때, 높아진 혈액 내 코티코스테론 농도 및 체중 감소를 통해 마우스가 충분히 스트레스를 받고있는 상황임을 확인하였다. 또한 해마의 기능 이상이 있을 때 나타나는 보금자리를 만들지 않는 결과를 보였다. 만성적 스트레스는 해마 내 인슐린 신호전달 경로에 관여하는 주요 물질들(IRS, Akt, mTOR)의 활성을 억제하여 인슐린 신호전달 경로를 저해했으며, 마우스 해마 신경세포 배양에서 코티코스테론을 처리했을 때와 마찬가지로 만성적 스트레스 또한 해마에서의 자가포식현상을 보였다. 해마의 공간 인지능력 및 기억력을 확인할 수 있는 Y형 미로를 이용한 실험을 통하여 만성적 스트레스를 받은 마우스들이 인지 및 기억과 관계된 해마의 기능 장애를 보임을 확인하였다. 만성적 스트레스가 해마 내 인슐린 신호전달 경로와 인지 및 기억 능력을 저하시킴을 확인 후, 인슐린 신호전달 경로가 주된 메커니즘임을 확인하기위해 코를 통해 외부에서 인슐린을 다시 흡입시키는 회복실험을 진행하였다. 우선 형광물질이 달린 인슐린을 이용해 코로의 흡입을 통해 해마에 인슐린에 달린 형광물질이 해마에 잘 도달함을 확인하였다. 이후 코를 통해 인슐린이 주입된 마우스들은 만성적 스트레스를 받았음에도 불구하고 체중 감소 및 보금자리를 만들지 않는 등의 결과를 보이지 않았다. 또한, 해마 내 인슐린 신호전달 물질들의 억제되었던 활성도 회복되었으며, Y형 미로를 이용한 실험에서도 회복된 공간 인지능력 및 기억력을 보였다. 즉, 만성적 스트레스는 혈중 코티코스테론 농도가 증가시키고, 인슐린 신호전달 경로를 손상시켜 해마 내 자가포식현상에 의해 해마의 기능이 떨어뜨리는데, 코를 통한 인슐린의 흡입은 이런 스트레스에 의한 인슐린 신호전달 경로의 손상을 회복시켜 해마의 기능 또한 회복시킴을 확인할 수 있다. 이번 연구를 통해 만성적 스트레스와 해마의 기능 간에 인슐린 신호전달 경로가 중요하게 작용을 하며, 코를 통해 인슐린을 흡입하였을 때 해마 기능이 회복됨을 보임으로써 신경정신적 질병 및 신경퇴행성 질환들에 대한 쉽고 새로운 치료 방법을 제시하였다.|Normal brain development and tissue homeostasis are achieved by balancing cell survival and death, and it has been recognized that the proper regulation of programmed cell death is an important cellular process needed to take into account for better therapeutic design to treat various neurodegenerative diseases and neurological conditions. Hippocampus is responsible for certain functions of learning and memory, and previous studies have shown an association of reduction in insulin levels and decline in learning and memory functions in hippocampus during neurodegeneration. Hippocampus is one of the most vulnerable targets of insulin signaling impairment or insulin resistance. Insulin signaling plays a key role for the memory and cognitive function of the hippocampus, and chronic stress is a psychologically significant factor that impairs learning and memory in the hippocampus. However, the relation between insulin signaling and chronic stress is poorly understood. Our group previously established that insulin withdrawal induces autophagic cell death in adult hippocampal neural stem (HCN) cells. We also recently observed an induction of autophagic cell death by psychological stress. So we set to explore the relation between chronic stress and insulin signaling with the hypothesis that insulin signaling impairment may be involved in stress-induced hippocampal memory and cognitive function deficits. In this thesis, we report that chronic stress impairs insulin signaling and induces autophagy in vitro and in vivo, and thereby causes deficits in hippocampal spatial working memory and neurobehavior. Corticosterone (CORT) is a major stress hormone in rodent, and CORT treatment in HCN cells and mouse hippocampal neurons in vitro caused neurotoxicity with the features of the autophagy but not apoptosis. CORT impaired insulin signaling from early time points in HCN cells and mouse hippocampal neurons in vitro, as shown by reduction in the phosphorylation levels of IRS-1 on Y608, Akt on S473, and mTOR on S2448, and increase in the expression of IRβ. As an in vivo model of stress, mice were subjected to chronic restraint stress (CRS) for 14 days with immobilization of 6 h daily. CRS downregulated insulin signaling in a similar manner as CORT. CRS decreased the phosphorylation levels of IRS-1 on Y608, Akt on S473, and mTOR on S2448. Moreover, CRS caused the deficits in hippocampal spatial working memory and nesting behavior. However, intranasal insulin delivery during the CRS restored insulin signaling and recovered hippocampal function deficits. These data suggested that psychological stress impaired insulin signaling and caused deficits in hippocampal function, and these disorders could be rescued by intranasal insulin delivery. Interestingly, intranasal administration of insulin did not alter the level of CORT increased by CRS, which suggested that the recovery by intranasal insulin delivery was not caused by the alteration of hypothalamic-pituitary-adrenal axis. Finally, the type of hippocampal cell death in vivo was examined. The level of cleaved caspase-3 was not significantly different between control and CRS mouse hippocampus. However, the level of LC3-II, a well-known autophagy marker, was increased by CRS, which was suppressed by intranasal insulin delivery. This data suggested that the neuroprotective activity of insulin might be by suppressing autophagy in the hippocampus against the detrimental effects of CORT released by CRS. Our findings that CRS induces hippocampal memory deficits by impairing insulin signaling pathway and inducing autophagy will be the basis of the future studies in psychological stress-induced neuropathology and the effectiveness of insulin for neuroprotection and cure of hippocampal cognitive dysfunctions.