정신분열병의 치료기전으로써 히스톤 코드 조절 관련 후생유전적 기전의 역할 규명 = Elucidation of the role of epigenetic mechanism related to the histone code regulation in the therapeutic mechanism of schizophrenia

국문 초록 (Abstract)

Ⅰ.연구 개발의 목적 및 필요성
1) 세부 연구 목표
가. Animal brain, cell line, human lymphocyte에서 ECS와 항정신병약물에 의해 유발되는 히스톤 단백질 modification 조사 및 특이적 변화선별
나. 선별된 히스톤 단백질 modification 에 의한 발현변화 유전자 발굴
다. 선별된 히스톤 단백질 modification 유발 관련 modifying enzyme 및 기전 분석
라. 항정신병처치 관련 DNA methylation 및 microRNA 관련 epigenetic mechanisms 분석
-이를 통한 조현병 병인 및 치료제 기전 이해를 본 연구의 최종 목표로 한다.
2) 궁극적 목표
- 다각적 실험 조건을 이용하여 정신병 치료기전으로써 히스톤 단백질 조절을 포함한 후생유전적 기전을 규명하기로 함.
- 이를 통해 궁극적으로 조현병의 새로운 치료 유발 분자 타겟의 기반 제공을 목표로 함.
Ⅱ.연구 개발의 내용 및 결과
가. 항정신병 처치의 histone modification 관련 분석
ECS, haloperidol, clozapine 등의 처치에 의한 histone modification을 분석함. 연구 결과 반복적 ECS 처치는 rat frontal cortex에서 histone deacetylation을 유발하는 HDAC의 발현 변화를 유발하였음. 특히, 발현이 증가된 HDAC2는 Egr1, c-Fos, Nrn1, Nr2a, Nr2b, Camk2alpha 등의 유전자의 promoter occupancy 증가를 통해 histone acetylation 감소 및 발현 감소를 유발하였음. 이는 HDAC inhibitor인 sodium butyrate 처치를 통해 회복이 됨. 또한 haloeridol, clozapine 역시 HDAC 발현 수준 및 global histone modification 변화를 유발하였음. 환자 blood lymphocyte를 이용한 분석 결과, ECT 치료를 받은 환자 군에서 global histone modification의 증가 경향을 보였음.
나. 항정신병처치에 의한 DNA methylation 변화 분석
항정신병약물 haloperidol은 hypermethylation condition으로 인해 DUSP6 유전자 발현이 억제되어 있는 MiaPaca2 pancreatic adenocarcinoma cell에서 DUSP6 intron methylation 감소 및 DUSP6 유전자 발현 증가를 유발하였음. 이와 관련하여 cell proliferation을 억제하였음. Pyrosequencing analysis를 통한 정량적 methylation 수준 분석을 수행하였음. 이는 기존의 demethylating agent인 5-azacytidine의 효과와 유사한 것으로 확인됨. 또한 ECS, clozapine, haloperidol 처치는 rat brain내 DNMT 발현 변화를 유발하였음. 특히 ECS는 DNMT3a의 발현 감소를 유발하였으며, 처치별 특이적 발현 변화 양상이 확인되었음.
다. 항정신병약물에 의한 유전자 발현 변화와 관련된 microRNA 분석
항정신병약물 clozapine 및 haloeridol 반복 투여 후, DNA microarray 및 miRNA microarray의 동시 수행을 통해 miRNA를 통해 발현 조절이 이루어지는 gene product에 대한 연구를 수행함. 분석 결과, clozapine과 haloperidol 처치 후 1397개의 gene이 haloperidol과 clozapine 사이에서 common하게 regulation되는 것으로 확인되었음. miRNA의 경우, clozapine 반복 처치에 의해서 miR-192, miR-7b의 발현 증가가 확인되었음. 한편 haloperidol에 의해서는 miR-375의 증가, miR-142-3p, miR-144, miR-19a, miR-19b의 감소가 유발되었음. 해당 miRNA의 변화와 동반되는 gene expression 변화에 대해 DNA microarray 분석 결과와 함께 miRNA target prediction을 이용하여 분석한 결과, 총 72개의 유전자 발현 변화가 miRNA의 변화와 상보적으로 이루어 짐을 확인함. 이와 관련하여 후속 연구를 수행 중임.
Ⅲ.연구개발결과의활용계획
1) 본연구에서항정신병처치 ECS의 작용기전으로서 HDAC2의 주요한 역할을 확인하였음. ECS에 의한 HDAC2 발현 조절 및 관련 histone modification은 정신병 유발 자극에 의한 행동 변화 억제에 역할을 하는 것으로 시사되었음. 이는 향후 새로운 치료제 표적 표지자를 제공할 수 있음.
2) 항정신병 처치의 histone modification, DNA methylation, miRNA에 대한 분석 연구 결과는 새로운 치료제의 생물학적 분자타겟 제공에 실질적인 기반을 제공할것임.
3)항정신병약물의 demethylating action을 통한 암세포의 세포증식 억제능에 대한 연구결과는 이미 개발된 약물들의 새로운 적응증을 제공하는 동시에 새로운 항암제 개발의 기반을 제공할수있음.
3) 본 연구개발 결과는 epigenetic regulatory mechanism 구성분자를 이용한 생물학적 진단도구, 치료반응 예측을위한 생물학적표지자, 신약개발의 새로운 분자타겟에 대한 기초자료로 활용될수있음. 본 중개연구는 향후 관련 연구수행에 좋은틀을 제공할것임.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

I. Purpose and necessity of the research project
1) Detailed goals are to investigate :
A. Histone modifications and related mechanisms induced by antipsychotic treatments, including antipsychotics, and electroconvulsive seizure, using animal, cell line, and human lymphocytes
B. Target genes regulated by histone modification in response to antipsychotic treatments
C. Histone modifying enzymes responsible for the changes in gene expression induced by antipsychotic treatments
D. Changes in DNA methylation and microRNA mechanisms induced by antipsychotic treatments
2) Ultimate goals are;
To understand the role of epigenetic mechanisms, including histone modifications, DNA methylation, and microRNA, in the therapeutic and pathogenetic mechanisms of schizophrenia
Ⅱ.Results
A. The effects of antipsychotic treatments on histone modifications and related mechanisms
The effects of ECS, clozapine, and haloperidol on histone regulatory mechanisms were investigated. ECS induced HDAC2 in rat frontal cortex, and the occupancy of HDAC2 on the promoter of genes, such as Egr1, c-Fos, Nrn1, Nr2a, Nr2b, Camk2alpha, to deacetylate histone proteins and to reduce their expression. These reductions in mRNA expression were recovered by co-treatment of HDAC inhibitor, sodium butyrate. Haloperidol and clozapine also induced changes in expression of HDAC enzymes and global histone modifications, which were differentiated from those by ECS.
B. The effects of antipsychotic treatments on DNA methylation
Haloperidol induced DUSP6 gene expression in pancreatic cancer cell line, in which DUSP6 expression is suppressed due to intron hypermethylation. Haloperidol induced demethylation of intron region, which was measured quantitatively using pyrosequencing analysis. In this condition, haloperidol inhibited proliferation of the cells. The effects of haloperidol were comparable to those of 5-azacytidine, a demethylating agent. In addition, treaments of ECS, clozapine, or haloperidol induced changes in the expression level of DNMTs, which showed different patterns depending on the type of treatment modalities.
C. Changes in gene expression related to microRNA expression by antipsychotics
The effects of repeated treatments of clozapine or haloperidol on mRNA expression and miRNA expression using miocroarray analysis. Total 1397 genes were commonly demonstrated to induce differential expression by both haloperidol and clozapine. miR-192 and miR-7b were up-regulated by clozapine, and miR-375 were increased by haloperidol. miR-142-3p, miR-144, miR-19a, and miR-19b were down-regulated by haloperidol. Combined analysis using mRNA and miRNA expression demonstrated that changes in 72 genes were predicted to be affected by miRNA changes, which require further analysis.
III. Utilizationoftheresults
1) The findings regarding the role of HDAC2 in ECS-induced changes in gene expression through histone modification couldprovidethenovel therapeutic markersofantipsychotics.
2)The findings relate to the effects of antipsychotic treatments on histone modification, DNA methylation, and miRNA regulation couldprovidethefoundation for the development of novel antipsychotic drugs
3)Anti-cancereffectsofantipsychoticsthrough demethylating activity couldpromotetherepositioningofthedrugs.Moreover,targetofantipsychoticsrelatedtoanti-cancereff ectscouldprovidethenovelmoleculartherapeutictargets.
4) The findings concerning the role of epigenetic regulatory mechanisms in antipsychotic treatments could provide biological markers for diagnosis, prediction of therapeutic efficacy, novel drug development. Moreover, the scheme of this study could provide the foundations for the related research activity.