Seongwon Choe. (2025). Mechanistic study of chronic unpredictable stress-induced autophagic death in adult hippocampal neural stem cells. doi: 10.22677/THESIS.200000841054
Chronic unpredictable stress (CUS) is an established model for inducing depressive-like behaviors and cognitive impairments, mirroring chronic stress effects in humans. This study examines the role of autophagy in CUS-induced behavioral and cellular responses, particularly its impact on hippocampal neural stem cells (NSCs). In Ctrl mice, CUS exposure led to significant anxiety-like behaviors, spatial memory deficits, and hippocampal NSC loss. NSC-specific conditional knockout of Atg7 (Atg7-NSC cKO) mice, however, were resistant to CUS and did not show depressive phenotypes. Elevated autophagy flux was observed in the NSCs of CUS-exposed Ctrl mice, correlating with increased formation of autophagosomes and autolysosomes, whereas autophagy was effectively suppressed in those of Atg7-NSC cKO mice, highlighting autophagy’s critical role in stress-induced NSC death and behavioral impairment. Additionally, corticosterone (CORT) induces calpain 2 degradation via the ubiquitin-proteasome system (UPS) and inhibition of calpain 2 promoted autophagy flux, accelerating autophagic cell death (ACD) in hippocampal NSCs. In our previous study, calpain was reported to shift ACD to apoptosis in insulin-deprived hippocampal NSCs, suggesting UPS-mediated degradation as a critical pathway switching cell death type in hippocampal NSCs. These findings suggest that autophagy and calpain critically determine NSC fate under stress, providing potential therapeutic avenue to protect against the harmful effects of chronic stress on the brain. Keywords: Chronic unpredictable stress, autophagic cell death, adult hippocampal neural stem cells, Calpain 2, Corticosterone |본 논문은 만성 예측불가능 스트레스(CUS)가 인간의 만성 스트레스 효과를 모방하여 우울증 유사 행동 및 인지 기능 장애를 유도하는 확립된 모델임을 기반으로, CUS에 의해 유도된 자가포식(autophagy)의 역할을 해마 신경줄기세포(NSC)에서 중점적으로 분석하였다. CUS 모델은 만성 스트레스의 다양한 행동적, 신경생물학적 영향을 반영하며, 본 연구는 자가포식이 CUS에 의한 해마 NSC의 기능 및 행동적 변화를 어떻게 조절하는지 그 메커니즘을 탐구하고자 하였다. 야생형(Ctrl) 생쥐에서 CUS에 노출될 경우, 불안 유사 행동, 공간 기억 손상 및 해마 NSC의 손실이 유의미하게 나타났다. 이는 인간의 만성 스트레스에 대한 반응과 유사하며, CUS가 신경 줄기세포의 생존 및 기능에 부정적인 영향을 미친다는 점을 확인하였다. 반면, NSC 특이적 조건부 Atg7 결손 마우스(Atg7-NSC cKO)는 CUS에 저항성을 보이며, 불안 및 우울증 관련 행동과 같은 스트레스 유발 행동이 유의미하게 감소하였다. 이는 Atg7이 CUS에 의해 유도되는 자가포식 경로 활성화와 연관되어 있으며, Atg7-NSC cKO 생쥐의 경우 자가포식이 억제되어 NSC의 사멸 및 행동적 결함이 감소하는 것을 확인했다. CUS에 노출된 Ctrl 생쥐에서 자가포식 활성(autophagy flux)이 현저히 증가한 점은 자가포식체(autophagosome)와 자가용해체(autolysosome) 수의 증가로 나타났으며, 이는 자가포식이 스트레스 상황에서 NSC 사멸과 관련된 주요 메커니즘임을 시사한다. 반면, Atg7-NSC cKO 생쥐는 자가포식 경로가 억제되어 스트레스에 의한 NSC 손실과 행동 장애가 완화됨으로써, CUS에 의한 NSC 사멸과 행동 장애에서 자가포식의 역할이 강조된다. 또한, 스트레스 호르몬인 코르티코스테론(CORT)은 자가포식 경로가 아닌 유비퀴틴-프로테아좀 시스템(UPS)을 통해 calpain 2의 분해를 유도하는 것으로 나타났다. CORT에 의해 calpain 2가 억제된 해마 NSC에서는 자가포식 활성이 촉진되어 자가포식 세포사멸(autophagic cell death, ACD)이 가속화되는 경향을 보였다. 이는 CORT이 calpain 2의 UPS를 통한 분해를 조절하여 자가포식 활성에 영향을 미치는 기전임을 시사한다. 이전 연구에서는 calpain이 인슐린 결핍 상태에서 ACD를 apoptosis로 전환시키는 중요한 역할을 한다고 보고되었으며, 이는 UPS에 의한 calpain 2 분해가 해마 NSC에서 세포 사멸 유형을 전환하는 핵심 경로임을 뒷받침한다. 이러한 연구 결과는 Atg7 및 calpain 경로가 스트레스 상황에서 NSC의 생존 및 기능에 중요한 조절자로 작용한다는 점을 시사하며, 만성 스트레스로 인한 해마 기능 저하와 행동 장애를 완화할 수 있는 잠재적 치료 표적이 될 수 있음을 제시한다. 핵심어: 성체 해마 신경줄기세포, 만성 예측불가능 스트레스, 자가포식 세포사멸, calpain 2
Table Of Contents
List of Contents Abstract i List of contents ii List of tables iv List of figures v List of abbreviations vi
Ⅰ. Introduction 1 1.1 Adult neurogenesis 1 1.1.1 The discovery of adult neurogenesis 1 1.1.2 Mechanisms of neurogenesis 1 1.1.3 Regulation of adult neurogenesis 4 1.1.4 Adult neurogenesis and cognitive function 4 1.1.5 Adult neurogenesis and disease 4 1.2 Programmed cell death (PCD) 5 1.2.1 Apoptosis 6 1.2.2 Autophagic cell death (ACD) 9 1.2.3 Necroptosis 12 1.3 Stress 12 1.3.1 Type of stress 12 1.3.2 The physiology of stress 13 1.3.3 Stress and mental health disorder 15 1.3.4 Stress and immune function 15 1.3.5 Stress and metabolic disorders 15 ⅠⅠ. Chronic unpredictable stress induces autophagic cell death of adult hippocampal neural stem cells 17 2.1 Introduction 17 2.2 Materials and Methods 19 2.2.1 Antibodies and reagents 19 2.2.2 Experimental animals 19 2.2.3 Chronic unpredictable stress (CUS) procedures 19 2.2.4 TAM injection· 21 2.2.5 Open field test 21 2.2.6 Y-maze test 21 2.2.7 Elevated plus maze test 21 2.2.8 Object location test 21 2.2.9 Constructs and stereotaxic injection 21 2.2.10 Immunohistochemistry 22 2.2.11 Stereology 22 2.2.12 Statistics 22 2.3 Results 23 2.3.1 Chronic unpredictable stress (CUS) induces behavioral changes in Ctrl mice 23 2.3.2 Atg7-NSC cKO mice are resistant to CUS-induced behavioral deficits 27 2.3.3 CUS induces death of adult hippocampal NSCs in Ctrl mice but not in Atg7-NSC cKO mice 28 2.3.4 Autophagy flux is upregulated in Ctrl mice following CUS but not in Atg7-NSC cKO mice 30 2.3.5 CUS does not activate apoptosis pathways in hippocampal NSCs 32 III. Calpain determines the tendency of adult hippocampal NSCs to ACD after corticosterone treatment 35 3.1 Introduction 35 3.2 Materials and Methods 37 3.2.1 Antibodies and reagents 37 3.2.2 Cell culture 37 3.2.3 Cell death assay 37 3.2.4 Western blot 37 3.2.5 Quantitative real-time PCR (qRT-PCR) 38 3.2.6 Statistics 38 3.3 Results 40 3.3.1 Calpain 2 degradation in CORT-treated hippocampal NSCs is mediated by ubiquitin-proteasome system (UPS) 40 3.3.2 Inhibition of calpain 2 accelerates ACD in CORT-treated hippocampal NSCs42 IV. Discussion 44 V. References 49 Abstract in Korean
