Effect of stress induction on histone acetylation in human SH-SY5Y cells

Abstract

Stress triggers behavior and physiological responses that maintain the homeostatsis. If chronic stress response is prolonged, this can destroy the homeostatic response in our body. The dysfunction of the stress response contributes to neurological diseases including mental diseases and neurodegenerative diseases. Recently, it is reported that early life stress stimuli linked to epigenetic changes, and some histone deacetylase (HDACs) inhibitors including vorinostat and valproic acid (VPA) showed therapeutic potential for neurodegenerative diseases and mental disorders. However, it remains unknown whether changes of histone acetylation is involved in the reverse of stress-mediated dysfunction. In the present study, we investigated whether the two sources of stress stimuli including excess hormonal stress and oxidative stress exposure influenced HDAC expression and histone acetylation homeostasis and whether VPA and Paeonia lactiflora pall extract (PLE), used as a HDAC inhibitor and a rehabilitation medicine for neurodegenerative diseases, respectively, restore the alteration by the stress induction in human neuroblastoma SH-SY5Y cells. As a result, both hormonal and oxidative stress stimulations induced the decrease in cell viability and disrupted mRNA expressions of genes, NR3C1, SLC6A2, MAOA, and HMOX1, which are required for stress response, neurotransmission and antioxidant pathway. VPA and PLE improved neuronal death by glucocorticoid exposure and oxidative stress exposure, respectively, and reinstated mRNA levels of the related genes partially. Moreover, both stress pathways upregulated a subset of HDAC expression, and resulted in the opposite changes in the histone acetylation level. Our results suggest that the imbalance of histone acetylation may be a key to solve the mystery of neuronal diseases, and that the epigenetic therapy is required for neuronal diseases in a suitable way for their status of histone acetylation.;본 연구에서는 호르몬성 스트레스 자극과 산화 스트레스 자극이 뇌세포주에 주는 세포 생존력 변화 및 히스톤 탈아세틸화 효소에 주는 영향을 알아보고, 발프로익산과 작약 추출물이 각각의 스트레스로 인한 변화를 바꾸는지에 대해 히스톤 아세틸화의 변화에 초점을 맞추어 진행하였다. 외인성 또는 내인성 스트레스 요인으로 인한 스트레스 발생은 우리의 몸의 항상성을 유지하기 위하여 여러가지 행동적, 생리학적 변화를 야기시키며, 지속적인 자극은 항상성 조절작용을 저해하여 정신 질환과 신경 퇴행성 질병과 같은 신경 질환으로 이어질 수 있다. 많은 연구에도 불구하고 스트레스가 신경세포 사멸을 일으키는 정확한 기전은 밝혀져 있지 않다. 최근에 어린 시절의 스트레스 노출과 관련된 후성유전학적 변화에 대한 연구발표와 일부 히스톤 탈아세틸화효소 저해제의 정신 분열 및 우울증 보조제 사용으로, 스트레스로 인한 변화가 후성유전학적 기전을 통한 것이라는 주장이 제기되고 있다. 따라서 본 연구는 뇌세포주인 SH-SY5Y에서 합성 글루코코르티코이드인 dexamethasone으로 호르몬성 스트레스 모델과 도파민 분비 신경세포에서 산화 스트레스를 유도한다고 알려진 MPP+로 산화 스트레스 자극 모델을 구축하여 각각의 스트레스가 신경 세포 생존력 및 히스톤 탈아세틸화 효소에 주는 효과를 알아보고 이러한 변화가 발프로익산과 작약의 효과로 인해 보호되는지를 연구하였다. 스트레스 자극을 처리하였을 때 모두 세포 생존력을 감소시킴을 확인하였으며, 호르몬성 스트레스 모델에서는 스트레스에 자극하여 반응한다고 알려진 NR3C1, SLC6A2, MAOA의 유전자 발현을 유의하게 변화시켰으며, 산화 스트레스 모델에서는 미토콘드리아 기능과 관련된 SOD2, NRF1, TFAM의 3개의 유전자는 기존에 알려진 것과는 반대로 수준이 오르거나 변화시키지 않았지만, 항산화 기전과 관련있다고 알려진 HMOX1의 유전자 발현이 유의하게 증가했다. 또한 호르몬성 스트레스 모델에서는 1 uM의 Dex 처리시 HDAC4, 9, 10, 11의 유전자 발현이, 산화 스트레스 모델에서는 1 mM의 MPP+ 처리시 HDAC7, 8, 9, 10, 11과 SIRT1의 유전자 발현이 유의하게 오르는 것을 확인하였다. 이는 스트레스 자극이 직접적으로 히스톤 탈아세틸화 효소에 영향을 줄 수 있음을 시사한다. 발프로익산과 작약추출물을 각각의 스트레스 모델에서 처리한 결과, 세포 생존력 회복 및 스트레스 반응 유전자 중 일부의 발현이 복구되었으며, 히스톤 단백질의 아세틸화를 측정한 결과 흥미롭게도 발프로익산은 히스톤 아세틸화를 증가시키고, 작약 추출물은 감소시키는 상반된 결과를 나타내었다. 히스톤 아세틸화의 상반된 변화가 같은 신경 보호효과를 나타내는 것은 무조건적 히스톤 고아세틸화, 저아세틸화보다는 히스톤 아세틸화의 항상성 유지가 더 중요하다는 것을 시사하며, 그 아세틸화의 표적 유전자가 어떤 것이냐에 따라 기능을 달리함을 시사한다. 그러므로 앞으로 각 스트레스 자극으로 인한 히스톤 아세틸화의 표적 유전자를 구분하여 발굴하는 연구가 이루어져 적절한 후성유전학적 치료 접근을 제안하는 것이 필요하다고 사료된다.