N-3 PUFA ameliorated bone loss induced by combined stress through β2-adrenergic receptor-related mechanism in ovariectomized rats.

Abstract

생애 초기 스트레스와 성인기 만성 스트레스는 β-2 adrenergic receptors (β2AR) 발현을 증가시키며, 과도하게 증가된 β2AR는 골 손실을 유발시킨다. 스트레스로 유도된 우울증 동물모델에서 n-3 불포화지방산 (n-3 polyunsaturated fatty acid, n-3 PUFA)이 신경전달물질인 세로토닌의 활성을 증가시키고corticosterone (CORT) 호르몬을 감소시켜 뇌의 스트레스 회복력을 보인 선행연구가 보고되었으나 생애 초기와 성인기 스트레스가 병행된 스트레스 (CMS+MS)를 받은 우울증 모델에서 β2AR 발현 증가와 그로 인한 골감소에 대한 n-3 PUFA의 억제 작용은 밝혀진 바가 없다. 따라서, 본 연구는 성인기 만성 스트레스만 적용된 만성스트레스 (CMS) 와 CMS+MS 우울증 모델에서 n-3 PUFA 식이 보충이 β2AR 발현 감소를 통한 골 감소 억제 작용을 나타내며 이 효과는 CMS+MS 모델에서 더 크게 나타날 것이라는 가설을 규명하고자 수행되었다. 암컷 Wistar rat 64마리에게 대조식이를 일생 동안 공급하거나, 1% n-3 PUFA식이를 이유완료 전까지, 이유완료 이후부터, 또는 일생동안 공급하였다. 또한, 각 식이군 내에서 생애 초기 스트레스 노출 유무에 따라 출생 후 2일부터 14일까지 매일 3시간 (모체 분리) 혹은 15분 (모체 미분리)동안 모체 분리를 시행하였다. 모든 쥐에서 난소절제술 (OVX)을 시행하고 1주간의 회복기 후에 모든 쥐에게 출생 후 91일부터 105일까지 매일 7가지의 스트레스 인자 중 1-2가지를 만성적으로 가하여 CMS군과 CMS+MS 군을 제작하였다. CMS와 CMS+MS는 β2AR, 인산화 β2AR (pβ2AR), activating transcription factor 4 (ATF4), 인산화 ATF4 (pATF4), receptor activator of NF-κB ligand/osteoprotegerin (RANKL/OPG)의 발현을 증가시켰고 CMS+MS 시 더 큰 증가를 보였다. 또한, CMS와 CMS+MS는 골 무기질 함량 (bone mineral content, BMC), 골 무기질 밀도 (bone mineral density, BMD)를 감소시켰다. 스트레스와 상관없이, 대조군 식이와 비교하여 평생 동안 n-3 PUFA 보충은 β2AR, pβ2AR, ATF4, pATF4의 발현 및 RANKL/OPG의 비율을 유의적으로 감소시켰다. 또한, n-3 PUFA는 뼈 인지질 지방산 농도와 함께 BMC, BMD를 증가시켰다. 그러나n-3 PUFA의 이유 전 또는 이유 후 보충은 β2AR 신호의 유의한 하향 조절 및 뼈 구조의 개선을 유도하지 않았다. 결론적으로 n-3 PUFA 식이 보충은 각각 만성 스트레스와CMS+MS후 우울증 암컷 동물모델에서 β2AR 발현을 감소시켜 뼈 보호 효과를 나타냈으나, CMS 군과 CMS+MS군의 효과 크기는 유사하였다. 또한 n-3 PUFA의 보충은 시기와 상관없이 일생 동안 보충할 시 가장 높은 효과를 나타냄을 알 수 있었다.; Early life and adulthood stress increase β-2 adrenergic receptors (β2AR) expression, which is associated with bone loss. N-3 polyunsaturated fatty acid (PUFA) is known to promote stress resilience by interacting with hypothalamic-pituitary-adrenal (HPA) axis and neurotransmission, but it remains unknown if n-3 PUFA plays bone-protective role through β2AR. This study aimed to investigate whether n-3 PUFA supplementation had protective effects against bone loss in rat models of depression induced by a combination of chronic mild stress (CMS) and maternal separation (MS) through the modulation of β2AR expression. Female pups were fed a modified AIN-93G diet with 0% or 1% n-3 PUFA relative to total energy intake during the pre-weaning (embryonic day (ED) 0−postnatal day (PND) 20), post-weaning (PND 21−PND 108), or lifetime period (ED 0−PND 108). The rats were further allocated to different groups based on the type of induced stress: CMS + MS, or CMS alone. MS was conducted in early life (PND 2−14) and CMS was conducted in adulthood (PND 91−105). CMS+MS significantly increased femoral expression of β-2 adrenergic receptor (β2AR), phosphorylated β2AR (pβ2AR), activating transcription factor 4 (ATF4), phosphorylated ATF4 (pATF4), receptor activator of NF-κB ligand/Osteoprotegerin (RANKL/OPG) as compared to CMS alone. In addition, CMS+MS had significantly decreased bone mineral content (BMC) and bone mineral density (BMD) compared to CMS alone. Regardless of stress, n-3 PUFA supplementation during lifetime significantly decreased expression of β2AR, pβ2AR, ATF4, pATF4, RANKL/OPG, as compared to control diet. N-3 PUFA also increased the BMC and BMD along with the n-3 PUFA level of the bone phospholipids. Neither pre-weaning nor post-weaning supplementation of n-3 PUFA led to a significant down-regulation of β2AR signaling and improvement of bone structure. This study suggests that lifelong n-3 PUFA supplementation improvement stress-induced bone loss via β2AR in ovariectomized rats.