The TRH and IL18 neural systems in the basolateral amygdala functions as molecular regulators promoting susceptibility to chronic stress

Abstract

Chronic stress is a potent risk factor for depression, but the molecular mechanism by which stress causes depression remains unclear. To understand the mechanism underlying chronic repeated stress-induced depression, C57BL/6 inbred mice were treated with repeated restraint for 2 h daily for 14 consecutive days (2h x 14d RST) to induce long-lasting depression-like behavioral changes by following the procedure established previously. Stress-induced behavioral changes of individual animals were assessed using the tail suspension test (TST) and forced swim test (FST) for measure of the behavioral state of active and passive escape behavior in response to a challenging situation, as well as the U-field test for measures of the level of sociability. Both behavioral features that may be neurobiologically correlated with behavioral symptoms of human depression from behavioral analyses, individuals that exhibited depression-like behaviors in both psychomotor withdrawal and sociability tests, and individuals that appeared a resiliency to 2h x 14d RST in two tests were selected. Among the neuropeptides differentially expressed in the basolateral amygdala (BLA), thyrotropin-releasing hormone (TRH) was identified as being consistently up-regulated in the BLA in individuals exhibiting severe depression-like behaviors in the behavior tests, but not in each mouse displaying a stress resiliency. Activation of TRH receptors by bilateral injection of recombinant TRH peptide in the BLA in normal mice induced depression-like behaviors, mimicking chronic repeated stress effects, whereas siRNA-mediated suppression of either TRH or TRHR1 in the BLA inhibited stress-induced depression-like behaviors. The injection of taltirelin, a TRHR1 agonist, in the BLA increased the level of p-ERK, and the increased p-ERK level in the BLA was also induced following repeated restraint stress. Stereotaxic infection of U0126, a potent inhibitor of the ERK pathway, within the BLA blocked stress-induced depression-like behavior. These results of region specific injection suggest that repeated stress produces long-lasting depressive behaviors via the up-regulation of TRH and TRH receptors in the BLA. Interleukin-18 (IL18), a member of interleukin-1family, has been implicated in increased susceptibility to depression, but the underlying mechanism not fully understood. We found that induction of IL18 in the basolateral amygdala (BLA) is critical for mediating physiological responses to chronic stress. Mice subjected to chronic restraint stress showed depression-like behaviors, whereas IL18 knockout (KO) mice did not exhibit these deficits following chronic stress experience. Mice treated with chronic stress had up-regulation of IL18, notably in glutamatergic and GABAergic neurons in the BLA. Stereotaxic injection of IL18 peptide within the BLA of wildtype mice produced depression-like behaviors. Thus mimicking depressive-like behaviors of animals exposed to chronic stress. Conversely, siRNA-mediated inhibition of IL18 or IL18 receptors in the BLA was sufficient to block depression-like behaviors induced by chronic stress, suggesting that induction of IL18 and activation of IL18 receptors in the BLA were necessary to promote depression-like behaviors following chronic stress. Mice treated with chronic stress had an increase of phospho-STAT3 and phospho-NF-B, two downstream mediators of IL18 receptor activation, in the BLA, which in turn regulated the expression of TRH, the neuropeptides whose induction in the BLA by chronic stress promoted depression-like behaviors as described above. These results suggest that the IL18 neural system in the BLA functions as a molecular regulator promoting resilience versus susceptibility to chronic stress.;만성스트레스는 우울증을 유발시키는 중요 원인이다. 그러나, 스트레스가 어떻게 우울증을 유발하는지 구체적인 분자적 메커니즘은 잘 알려져 있지 않다. 물리적, 정신적 스트레스에 취약한 뇌의 변연계에 속하는 편도체 지역의 마이크로어레이 분석을 통하여 장기적인 신체구금 스트레스로 인하여 펩티드가 변화한다는 것을 토대로, 본 연구는 TRH와 IL18가 편도체에 미치는 생리학적인 영향과 그로 인한 행동학적인 변화에 대해서 연구 하였다. 7주령 마우스에 하루 2시간씩 14일동안 신체구금 스트레스를 처치한 후장기적인 우울행동이 유도되었는지를 행동학적 검사를 통하여 측정하였다. 먼저 사회성을 측정할 수 있는 U-field test와, 심리운동성 위축 (psychomotor withdrawal)을 측정할 수 있는 Tail suspension test (TST)와 Forced swimming test (FST), 불안행동을 측정할 수 있는 Novelty suppressed feeding test (NSF)를 적용하였다. 하루 2시간씩 14일동안 스트레스를 받은 그룹은 사회성 검사에서 사회성 행동이 저하되고, 불안 증상이 증가하는 것을 확인했다. 이러한 행동학적 변화에 수반하여 편도체에서의 TRH와 IL18의 수치가 증가하는 것을 관찰하였다. 먼저 편도체에서 TRH의 증가가 스트레스에 의한 우울증 유발의 핵심기전인지를 알기 위해 정상 마우스의 편도체에 미세정위주입 (stereotaxic injection)으로 TRH 혹은 TRHR1 길항제인 Taltirelin을 주입한 결과, 만성스트레스를 겪은 동물이 보이는 행동과 유사하게 TST, FST 행동검사에서 부동성 상태가 증가 하는 우울행동 증상을 나타냈다. 이와 대조적으로 만성스트레스를 처치한 후 마우스의 편도체에 si-RNA-TRH, 또는 si-RNA-TRHR1를 미세주입 한 결과 TST, FST 행동검사에서 부동성 상태가 감소하였다. TRH의 증가에 따른 우울증 행동의 유발은 TRH와 TRHR1를 통해 BLA 신경세포에서 phospho-ERK 증가를 수반하고, ERK 신호전달경로의 억제제인 U0126을 만성스트레스를 처치한 마우스의 편도체에 지역특이적으로 미세주입하면 우울증 행동이 억제되었다. 사이토카인인 IL18은 염증반응에 관여하는 인자로 잘 알려져 있으나, 우울증 환자나 우울증상을 보이는 실험동물의 혈청 내에 증가되어 있다. IL18 및 그 수용체인 IL18R는 뇌의 여러 지역에 발현 되지만 이들의 뇌에서의 기능에 대해 아직 명확히 알려진 바가 없다. 본 연구는 스트레스에 민감하게 반응하는 편도체에서 IL-18의 변화에 따른 행동학적 변화와 이에 관한 분자생물학적 기전에 대해 조사하였다. 정상 마우스에 만성스트레스를 처치시, 편도체 내에서 IL18의 발현이 증가 하였고, 항우울제인 Imipramine을 처치했을 때, IL18의 발현이 감소했다. 만성스트레스를 처치한 그룹의 뇌조직에 대해 면역형광염색법으로 glutamate 신경세포와 GABA 신경세포에서 IL18의 발현이 증가하였다. Normal 마우스의 편도체에 지역 특이적으로 IL18 수용체 길항제를 주입하면 행동검사에서 우울행동 증상이 증가되었다. IL18 KO 마우스에 만성스트레스를 처치하더라도, 사회성 검사, FST, TST등에서 우울행동 증상이 나타나지 않았다. 이러한 결과는 스트레스에 의한 우울증의 증가는 편도체에서 IL18의 증가를 통해 일어나는 것을 시사한다. 스트레스를 처치한 그룹에서 IL18의 증가와 함께 IL18 수용체의 핵심 신호전달 경로에 있는 STAT3와 NF-B의 인산화가 증가하였다. 또한 중합효소 연쇄반응 검사를 통해 스트레스를 처치한 그룹에서 증가했던 여러 펩타이드들 (Hcrt, MCH, OXT, AVP and TRH)의 발현이 siRNA-IL18 혹은 siRNA-IL18R 주입시 다시 정상 상태로 되돌아 오는 것으로 보아 IL18은 선조체에서 다른 펩타이드들의 발현을 조절하는 역할을 함으로써 만성스트레스로 인한 우울 행동 변화를 유발하는 것으로 설명할 수 있다. 이와 같은 연구 결과는 BLA에서의 IL18 신경시스템이 만성스트레스에 의한 우울증 발생을 조절하는 핵심적 조절기전이라는 것을 시사한다.