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Gender-specific metabolic effects of enriched enrichment on functional improvement of the brain

Other Titles
 뇌 기능 향상에 영향을 주는 재활환경의 성특이적 대사 효과 
Authors
 표순일 
College
 College of Medicine (의과대학) 
Department
 Others (기타) 
Degree
박사
Issue Date
2022-02
Abstract
재활환경은 큰 케이지 안에 다양한 물체와 쳇바퀴로 구성함과 동시에 많은 마리 수의 동물을 키워 사회적 상호작용을 허용하는 방법이다. 재활환경의 구성 요소에는 인지기능을 향상시킬 수 있는 자발적 운동을 포함되며, 이는 시냅스 가소성 유도 및 뇌 에너지 대사 개선을 통해 설치류 모델의 행동 및 감정에 유익한 효과를 발휘한다. 이러한 재활환경의 유익한 효과는 생물학적 성별의 영향을 크게 받는다고 알려져 있다. 자발적인 운동 중에 나오는 뇌유래신경영양인자와 같은 다양한 신경영양인자의 차등 증가는 이러한 유익한 효과에서 신경 보호 및 성별 차이의 원인이 될 수 있다. 내인성 케톤체 중 하나인 베타-히드록시부티레이트는 뇌유래신경인자와 관련된 유전자좌를 점유하는 히스톤의 아세틸화를 증가시켜 뇌에서 후성유전자 조절자로 작용한다. 이러한 증거는 베타-히드록시부티레이트와 같은 순환 케톤체의 농도가 후성적으로 뇌유래신경영양인자의 농도를 조절하여 결국 행동과 감정의 조절로 이어질 수 있음을 의미한다. 재활환경의 성별에 따른 효과를 알아보기 위해, 먼저 정상마우스군과 난소절제마우스군을 대상으로 혈액 생화학적 검사, 대사 케이지, 이중 에너지 X 선 흡수법을 통해 대사 표현형을 조사하였다. 오일 레드 O 염색은 난소절제마우스군에서 지질 축적을 조사하기 위하여 수행되었다. 발정 주기는 정상마우스군에서 질 세포검사로, 에스트로겐 수치는 난소절제마우스군에서 효소면역측정법으로 측정하였다. 지방산 산화 산물인 베타히드록시부티레이트는 혈청 및 뇌 영역에서 효소면역측정법으로 측정하였다. 베타-히드록시부티레이트 관련 유전자와 단백질의 발현은 각각 정량 실시간 중합효소 연쇄 반응과 웨스턴 블롯을 통해 확인하였다. 특정신경세포 유형에서 베타-히드록시부티레이트 관련 단백질 발현을 확인하기 위해 면역조직 화학검사를 진행하였다. 마지막으로 로타로드 테스트, 사다리 걷기 테스트, 오픈필드 테스트, 실린더 테스트, 매달린 와이어 테스트, Y-미로 테스트, 강제 수영 테스트와 같은 다양한 행동 평가도 진행하였다. 정상군에서는 성별에 관계없이 이중에너지 X 선 흡수법 및 혈액 생화학 검사에서 환경 풍부화군에서 지방 감소가 관찰되었다. 대사케이지 분석을 통해 환경 풍부화 마우스가 대조군 마우스보다 더 높은 호흡 교환 비율을 갖고, 암컷 마우스가 수컷 마우스보다 더 높은 열을 방출함을 확인하였다. 베타-히드록시부티레이트 효소면역측정법 분석을 통해 혈청에서 유의한 성별 및 주거 효과를 볼 수 있었고, 발정 주기를 기반으로 한 여성 그룹분석은 재활환경이 발정 후기와 발정 휴지기 시기에 영향을 크게 주었음을 확인하였다. 뇌 영역에서 환경 풍부화 암컷 그룹이 다른 그룹보다 베타-히드록시부티레이트 수준이 더 높았다. 정량 실시간 중합효소 연쇄 반응과 웨스턴 블롯 분석에서 높아진 베타히드록시부티레이트 수준과 함께 베타-히드록시부티레이트 관련 유전자 및 단백질이 더 유의하게 조절됨을 확인하였다. 마지막으로, 면역조직화학검사를 통하여 환경 풍부화 마우스가 모노 카복실레이트 수송체 2 와 마이크로튜불결합단백질-2 및 모노 카복실레이트 수송체 4 와 신경교섬유질산성단백질의 더 높은 공동 국소화를 보여주었으며, 이러한 현상은 암컷 그룹에서 더 두드러졌다. 난소 절제술 그룹에서 재활환경 및 에스트로겐 요법은 체중의 감소를 상승적으로 일으켰다. 이중에너지 X 선 흡수법 및 혈액 생화학 검사에서 지방 감소에 대한 재활환경 및 에스트로겐 요법의 상승효과를 볼 수 있었다. 오일 레드 O 염색을 통하여 또한 간 및 뇌 영역의 지방 감소에 대한 환경 풍부화 및 에스트로겐의 상승효과를 볼 수 있었다. 대사 케이지 분석을 통하여 OVX 그룹과 비교하여 치료군들에서 호흡 교환 비율과 열에 상당한 차이가 있음을 확인하였다. 베타-히드록시부티레이트 효소면역측정법 분석을 통해 혈청에서 치료군들에서 유의한 차이를 보았으며, 대뇌 피질 및 해마의 베타-히드록시부티레이트 수준에 대한 환경풍부화 및 에스트로겐의 상승 효과를 보았다. 정량 실시간 중합효소 연쇄 반응과 웨스턴 블롯 분석에서 높아진 베타-히드록시부티레이트 수준과 함께 베타-히드록시부티레이트 관련 유전자 및 단백질이 더 유의하게 조절됨을 확인하였다. 마지막으로, 면역조직화학검사를 통하여 난소 절제술 재활환경과 에스트로겐 병용요법그룹에서 모노 카복실레이트 수송체 2 와 마이크로튜불결합단백질-2 및 모노카복실레이트 수송체 4 와 신경교섬유질산성단백질의 더 높은 공동 국소화를 보여주었다. 본 연구는 성별 차이에 따른 부유 환경의 효과에 대한 더 나은 이해를 제공할 것이며, 성별 특이적 재활치료적용을 위한 전임상 기반을 제공할 것이다.

Enriched environment (EE) is a method of raising animals in a huge cage consisted of novel objects and running wheels and allowing large social interaction. The components of EE include enriched environment combined with voluntary exercise, which can improve cognitive function, and EE exerts beneficial effects on behaviors and emotion in various rodent models via the induction of synaptic plasticity and the improvement of brain energy metabolism. Moreover, these beneficial effects of EE are highly influenced by biological sex. The differential increase in various neurotrophic factors such as brain-derived neurotrophic factor (BDNF) after EE exposure may be responsible for neuroprotection and gender difference in these beneficial effects. Among the endogenous ketone bodies, beta-hydroxybutyrate (βOHB) can act as an epigenetic regulator in brain by increasing acetylation of histones occupying loci related to BDNF. These mounting evidences imply that the altered level of circulating ketone bodies such as βOHB can regulate the level of BDNF in an epigenetic way, eventually leading to the modulation of behaviors and emotion. To examine the gender-specific effect of EE, metabolic phenotype was first examined by blood biochemical testing, metabolic cages, and dual energy x-ray absorptiometry (DXA) for normal groups and ovariectomized groups. Oil red O staining was conducted to examine lipid accumulation in ovariectomized groups. Estrus cycle was determined by vaginal cytology in normal groups, and estrogen level was determined by an enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) in ovariectomized groups. The product of fatty acid oxidation, βOHB, was measured by an ELISA assay in serum and brain regions. The expression of βOHB-related genes and proteins were measured Quantitative reverse transcription-polymerase chain reaction (qRT-PCR) and western blotting, respectively. Immunohistochemistry was further conducted to confirm the expression of βOHB-related proteins in specific neuronal cell types. Lastly, various behavioral assessments such as rotarod test, ladder walking test, openfield test, cylinder test, hanging wire test, Y-maze test, and forced swim test were conducted to confirm the behavioral phenotype. In normal groups, regardless of gender, fat reduction was observed in the EE groups as indicated by DXA and blood biochemical testing. Analysis of metabolic cage indicated that EE mice have higher respiratory exchange ratio (RER) than control mice, and female mice have higher heat than male mice. The βOHB ELISA indicated that significant gender and housing effects in serum, and further subgroup analysis in female groups based on estrus cycle indicated that EE significantly affect the female group in metestrus and dietsrus phases. In brain regions, the EE female group has higher βOHB level than the other group. qRT-PCR and Western blot analysis indicated βOHB-related genes and proteins were significantly regulated along with the higher βOHB level. Finally, Immunohistochemistry (IHC) analysis showed that higher co-localization of moncarboxylate transporter (MCT) 2 with microtubule-associated protein 2 (MAP-2) and MCT4 with glial fibrillary acidic protein (GFAP) in EE mice, and it was more notable in the female group. In ovariectomized (OVX) groups, EE and estradiol (E2) treatment can synergistically decrease body weight in the OVX model. The synergistic effect of EE and E2 on fat reduction was observed as indicated by DXA and blood biochemical testing. Oil Red O staining also indicated the synergistic effect of EE and E2 on fat reduction in liver and brain regions. Analysis of metabolic cage indicated that significant differences were observed on RER and Heat in the treatment groups compared to the OVX group. The βOHB ELISA indicated that significant differences were observed in the treatment groups in serum, and the synergistic effect of EE and E2 on the βOHB level of cerebral cortex and hippocampus. qRT-PCR and Western blot analysis indicated βOHB-related genes and proteins were significantly regulated along with the higher βOHB level. Finally, IHC analysis showed that higher co-localization of MCT2 with MAP-2 and MCT4 with GFAP in OVX+E2/EE compared to the other groups. This study will give a better understanding of EE sex difference in EE intervention will provide a preclinical basis for novel sex-specific rehabilitations.
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URI
https://ir.ymlib.yonsei.ac.kr/handle/22282913/189702
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