Effects of high fat diet on hippocampal plasticity in relation with aging and exercise

Abstract

뇌는 환경의 변화에 대한 반응을 조절하는 중추이면서, 자극에 대한 반응을 통해 뇌 내부의 구조적인 변화가 끊임없이 일어남이 여러 연구를 통해 밝혀져 왔다. 뇌 구성 신경세포들은 외부의 자극에 대해 변화하고 재조직화되는 가소성(plasticity)을 가지고 있는데, 최근 기존 신경세포의 가지돌기의 분지 및 시냅스 형성 이외에도 해마의 치아이랑(dentate gyrus) 및 외측뇌실의 뇌실밑구역(subventricular zone)에서는 새로운 신경세포가 형성되는 것으로 알려져 있다. 그중에서 해마의 신경가소성(hippocampal neuronal plasticity)은 지속적인 학습 및 그에 따른 기억 형성에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있으며, 알츠하이머 치매를 비롯한 퇴행성뇌질환에서 나타나는 경도인지기능의 저하(mild cognitive impairment)는 신경가소성 저하와 밀접한 연관이 있다. 신경세포신생(neurogenesis)과 새로 형성된 신경세포의 가지돌기 발달 및 시냅스형성(synaptogenesis)은 환경적인 변화에 민감하며, 이번 연구에서는 서구적인 생활 습관의 확산에 따른 비만과 대사증후군을 모방한 동물모델을 이용하여 식습관변화(dietary change) 및 운동(exercise)이 해마의 신경가소성에 어떠한 영향을 미치는지 알아보고자 하였다. 그리고, 비만과 대사증후군이 뇌의 노화(aging)를 촉진하는 위험 인자로 작용하는 것이 연구로 밝혀지고 있으며, 역으로 노화 또한 비만과 대사증후군의 위험을 높히는 요소 중 하나로 최근 보고되고 있다. 비만 노화에 따른 해마의 기능적 저하는 신경세포신생 저하와 연관이 깊다. 이와 함께 새로 형성된 세포가 시냅스형성을 통해 기존의 신경회로에 연결 또는 새로운 신경회로를 형성하는 것으로 볼 때, 시냅스 이전 부분에 존재하는 synaptophysin이 pre-synaptic plasticity 또는 synaptogenesis의 마커로 사용되며, 시냅스 이후 부분에 있는 N-methyl-D-aspartate receptor (NMDAR) 또한 시냅스형성과 신생신경세포의 성숙과 연관이 깊다는 사실은 중요하다. 따라서 이번 연구에서는 고지방사료를 통해 비만을 유도한 동물을 기본 모델로 하여, 식습관변화 및 운동이 해마의 신경가소성에 어떠한 영향을 미치는 지를 규명하고자 하였다. 그리고, 뇌의 노화 phenotype을 유발하는 D-galactose (D-gal) 투여 모델을 통해, 비만과 노화를 동시에 유도하였을 때, 해마의 신경가소성이 어떻게 변화하고, 항비만, 항노화 효과가 있는 운동이 해마의 신경가소성 관련 지표들에 어떠한 영향을 주는 지를 조사하였다. 첫번째 실험에서는 고지방사료(high fat diet, 60% calorie from fat)를 8주 동안 급이한 비만 모델에서 신경세포신생 관련 마커 단백질이 감소하였으며, 고지방사료를 4주 급이하고 일반사료(normal cow diet, 16.71% calorie from fat)로 전환시킨 그룹에서는 신경세포신생 관련 마커 단백질들의 발현이 회복, 증가되는 것을 확인할 수 있었다. 그리고, 트레드밀운동을 실시한 모든 그룹에서 세포분열의 마커인 Ki67 및 신경모세포(neuroblast)의 마커인 doublecortin의 증가가 확인되었다. 신경세포신생의 기전에 대한 연구로 해마의 brain-derived neurotrophic factor (BDNF) 및 phophorylated cAMP-response element binding protein (pCREB)에 대한 조사를 진행하여, 사료전환 및 운동 모두 BDNF-pCREB 신호경로를 이용하며, 사료전환과 운동을 동시에 실시한 그룹에서 개선의 효과가 가장 뚜렷함을 확인할 수 있었다. 이와 더불어 시냅스 단백질에 대한 조사를 진행한 결과, 비만만 유도하였을 때에는 시냅스 단백질의 발현 저하가 뚜렷하지 않았으나, synaptophysin 및 N-methyl-D-aspartate receptors (NMDARs) 단백질이 사료전환 및 운동을 실시한 고지방사료급이 동물군에서는 증가되는 것을 확인하였다. 그리고, 비만 및 노화에서 뇌의 구조 기능적 손상과 연관 깊은 것으로 알려진 산화스트레스 (oxidative stress)가 이번 실험에서는 어떠한 영향을 받는지 알아보기 위한 연구를 진행하였다. 그 결과 사료전환 및 운동 모두 지방의 과산화(lipid peroxidation) 생성물인 4-hydroxynonenal (4-HNE)을 감소시키고, 산화스트레스에 대한 방어기작으로 작용하는 항산화효소 superoxide dismutase 1 (SOD1)을 증가시켰으며, 두 가지를 복합적으로 처리하였을 때, 효과가 더 뚜렷함이 확인되었다. 두번째 실험에서는 D-gal 및 고지방사료 투여를 통해 노화 및 노화비만복합 모델에서의 신경의 구조적 가소성에 대한 변화를 확인하고자 하였으며, 그 결과 비만모델에서 노화의 유도는 노화가 유도되지 않은 비만 모델에 비해 신경세포신생 및 시냅스형성과 연관된 단백질의 발현이 확연하게 감소되는 것이 확인되었다. 그리고, 이들 모델에서 운동을 실시하였을 때, 노화/비만에 따른 구조적 손상의 정도가 완화, 개선되는 것이 확인되었으며, 메커니즘으로 생각되는 BDNF-pCREB 신호경로가 노화/비만에 의해 저하되었다가 운동에 의해 활성화가 되는 것을 확인할 수 있었다. 추가적으로 노화/비만에 의해 증가된 산화스트레스 생성물인 4-HNE가 운동으로 감소가 되고, 이와 더불어 항산화효소 SOD1가 증가되는 것을 확인할 수 있었다. 이상의 결과들을 종합하여 볼 때, 고지방사료의 급이는 해마의 구조적가소성을 악화시키며, 이번 실험에서 사용된 사료전환은 비만에 따른 악영향을 개선시키는 효과가 있음을 알 수 있었다. 그리고, 사료전환과 운동요법을 복합적으로 적용하였을 때, 시너지 효과가 있음이 확인되었다. 고지방사료를 급이하면서 노화를 유발하는 D-gal의 투여는 해마의 신경가소성 지표들을 더욱 악화시켰으며, 이들 모델에 운동을 실시하였을 때, 신경가소성 관련 지표들이 어느 정도 회복되는 것을 확인할 수 있었다. 이번 연구를 통해 식습관 개선 또는 운동은 비만에 의한 해마의 구조적 변화를 예방하며, 운동에 의한 항노화효과를 고려해 볼 때, 신경가소성을 촉진할 수 있는 exercise-mimetic과 같은 물질의 개발 및 연구가 지속적으로 필요하다고 생각된다.

The brain is the regulatory center of the body

it responds to the environment and continuously adapts via plasticity, the structural reconstruction of neuronal cells. Together with dendritic branching and synaptic formation in existing neurons, new neurons are generated in the dentate gyrus and subventricular zone of the hippocampus and lateral ventricle, respectively. Anatomical hippocampal plasticity is associated with learning and memory. Mild cognitive impairment in neurodegenerative diseases, including Alzheimers disease, is caused by a reduction in neural plasticity. Understanding the mechanism of continuous neurogenesis and the replacement of old granule cells will shed light on neurodegenerative diseases. Proliferating and differentiating cells are susceptible to endogenous and exogenous factors, such as hormones, minerals, stress, diet, toxic materials, and drugs. Diets with a high fat content and a sedentary lifestyle are primary risk factors for obesity and subsequent metabolic syndrome. Dietary control and exercise are commonly prescribed lifestyle therapies to ameliorate the harmful effects of obesity and metabolic syndrome. Exercise is an effective intervention and considered as a polypill with multiple functions, such as anti-obesity, anti-aging, and anti-inflammation. To date, the effect of combining diet and exercise on the hippocampus in models of obesity has not been clearly established. In addition to lifestyle factors, aging is also risk factor for the development of obesity or metabolic syndrome

recent studies have noted that obesity and metabolic syndrome accelerate the senescence of brain. Obesity- and aging-induced hippocampal functional deficits are related to impairments in neurogenesis. In addition, synaptogenesis is important for proper hippocampal functioning. In the adult hippocampus, newly generated neurons integrate into neuronal circuits via synapse formation. Synaptophysin is located at the synapse in the presynaptic vesicular membrane and N-methyl-D-aspartate receptor (NMDAR) is inserted in the postsynaptic membrane. Synaptophysin is a marker of presynaptic plasticity and synaptogenesis. Glutamate is released from the presynaptic membrane and mediates the activation of NMDARs. NMDARs participate in new synapse formation and the maturation of newly generated neurons. The aim of the present study was to investigate the effect of combined dietary change and exercise intervention on hippocampal neurogenesis and synaptogenesis in high fat diet (HFD)-fed obese mice. Additionally, we used a chemical-induced brain aging model to establish the coexistence of aging and obesity. D-galactose (D-gal) generates reactive oxygen species (ROS) and chronic treatment of D-gal induces a brain aging-associated phenotype. We used immunohistochemistry and western blot analysis to reveal changes in neurogenic and synaptic marker proteins. In the first experiment, we investigated the effects of dietary change and/or exercise on hippocampal structural plasticity of HFD-fed obese mice. First, we confirmed the negative effects of HFD-feeding on adult neurogenesis in the dentate gyrus: eight weeks of HFD-feeding decreased the expression of nestin, Ki67, and doublecortin (DCX) positive cells. Interestingly, synaptophysin and NMDAR expression in the hippocampus was not significantly altered by a HFD. In addition, exercise was more effective at increasing neurogenic and synaptic proteins

however, a simple dietary change to normal chow diet did improve neurogenesis in the dentate gyrus. The positive effects of exercise are widely recognized but we found that combining dietary change and exercise synergistically improved hippocampal neurogenesis. We confirmed that both dietary change and exercise increased the expression of brain-derived neurotrophic factor (BDNF) and phosphorylated cAMF-response element binding protein (pCREB) and these interventions had a synergistic effect when combined. In addition, we investigated changes in oxidative stress-related markers. Both dietary change and exercise reduced the accumulation of 4-hydoxynonenal (4-HNE) via an increase in defensive antioxidant superoxide dismutase1 (SOD1). In the second experiment, we investigated the effect of D-gal-induced aging on hippocampal neural plasticity in HFD-fed obese mice. Both HFD-feeding and D-gal-treatment reduced nestin, Ki67, and DCX positive cells. In the combined model of aging and obesity, these parameters were significantly reduced and synaptic marker proteins showed similar pattern of change. We further investigated the effect of exercise on the combined model of aging and obesity. Treadmill exercise attenuated the negative effects of HFD-feeding and D-gal-induced aging. In addition, exercise increased nestin-positive neural stem cells, their proliferation, and neuronal differentiation in the dentate gyrus. Furthermore, exercise increased synaptic proteins in the whole hippocampus. The proposed mechanism for this change was changes in BDNF-pCREB signaling and 4-HNE-SOD1 production. We confirmed that D-gal-induced aging and HFD-feeding reduced BDNF-pCREB signaling and increased the accumulation of 4-HNE via SOD1 exhaustion. Exercise increased BDNF-pCREB signaling and reduced 4-HNE production by SOD1 induction in both models. In summary, HFD-feeding aggravates hippocampal structural plasticity and dietary change was effective at ameliorating this impairment. Combined dietary change and exercise treatment synergistically improved HFD-induced impairments. Furthermore, D-gal-induced aging in HFD-fed obese mice aggravated the impairment in hippocampal plasticity and exercise showed anti-aging and anti-obese effects in the hippocampus. We suggest that changes in the number of neural stem cells, their proliferation, and the differentiation of neuroblasts is correlated with an upregulation in BDNF-pCREB signaling and SOD1 with a concurrent downregulation of 4-HNE. Furthermore, dietary change and exercise treatment attenuated the reduction in neurogenic and synaptic proteins by inducing BDNF-pCREB signaling and reducing 4-HNE via SOD1.