Amygala-dependent mechanisms of fear memory weakening = 편도체 의존적 공포기억 약화 기전 연구

국문 초록 (Abstract)

기억은 한번 형성되면 끊임없이 변화하며 유지된다. 이러한 변화를 위해서는 기억이 약화되는 과정이 필수적이다. 그러나 기억의 형성과 관련하여 그 분자 기전을 밝히기 위한 연구가 꾸준히 이루어진 반면, 기억이 형성된 이후 기억이 약화되는 기전에 대한 연구는 미진한 실정이다. 따라서, 본 논문에서는 기억의 인출 또는 소거와 같이 기억이 약화되는 과정들을 매개하는 분자기전에 대해 밝히고자 한다.
편도체는 들어오고 나가는 신경회로가 잘 알려져 있을 뿐만 아니라 공포 기억을 저장하는데 중요한 역할을 할 것으로 알려져 있어 기억에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는 뇌 부위 중 하나이다. 뿐만 아니라 공포기억은 학습이 쉽고, 반응이 분명하여 기억 정도의 측정이 용이하다. 본 논문에서는 파블로프의 공포 조건화 방법을 이용하여 공포기억을 형성한 뒤, 이것을 인출 또는 소거했을 때 발생되는 변화를 알아보았다.
기억의 형성 이후 경화된 기억은 이를 인출했을 때에 일시적으로 불안정해진다는 것이 알려져 왔었다. 그러나 이러한 과정의 분자기전에 대한 연구는 미흡하였다. 본 논문에서는 공포기억의 인출에 의해 일시적으로 시냅스 상에 CP-AMPA 수용체가 증가하는데, 이 과정에 NMDA 수용체의 활성과 CI-AMPA 수용체의 내포작용이 필요함을 관찰하였다. 또한, 공포기억의 인출에 의해 시냅스 상에 유도된 CP-AMPA 수용체는 기억의 재경화에 필수적임을 확인하였다. 이를 증명하기 위해, 기억의 인출 이전에 NMDA 수용체의 활성을 억제하는 약물 또는 GluA2의 내포작용을 억제하는 약물을 투여하여 시냅스 상에 CP-AMPA 수용체의 삽입이 저해되는 것을 확인하였고, 기억의 인출 이후 시냅스 상에 삽입된 CP-AMPA 수용체를 억제하였을 경우에는 기억의 재응고화가 억제되어 기억이 소거됨을 관찰하였다. 이러한 결과들은 CP-AMPA 수용체가 기억이 저장되는 시냅스를 특이적으로 표지 하는 역할을 할 가능성을 제시하고 있다.
최근 연구들에 따르면, 기억을 유지하는 데에 PKMζ의 지속적인 활성이 필수적이며, PKMζ의 저해제인 ZIP을 기억이 저장되는 부위에 투여할 경우 기억을 특이적으로 소거할 수 있다는 것이 보고되어 왔다. 본 논문에서는 ZIP이 GSK3β를 직접적으로 활성화 함으로써 기억이 소거됨을 제안하고자 한다. 이를 위해, in vitrokinase assay를 이용하여 ZIP이 직접적으로 GSK3β를 활성화 시키는 것을 확인하였으며, 공포기억을 형성시킨 후 ZIP을 처리하였을 경우에 유도되는 장기 기억 및 장기기억의 세포학적 모델인 시냅스 장기강화의 손실(탈강화)이 GSK3β의 활성을 억제할 경우에는 나타나지 않음을 확인하였다. 또한 공포 기억 형성 이후 ZIP에 의해 나타나는 GSK3β의 활성은 GSK3β의 serine-9 잔기의 탈인산화에 의해 유도되며, 이로 인한 하위기전들의 활성화가 공포기억을 소거함을 관찰하였다. 이러한 결과들은 기억의 소거에 GSK3β가 중요한 역할을 하고 있음을 시사한다.
또한 본 논문에서는 공포기억의 소거 과정에 그룹 II 대사성 글루탐산 수용체의 활성이 필요함을 밝힘으로써 기억의 소거 과정에 중요한 또 다른 분자를 도출하였다. 그룹 II 대사성 글루탐산 수용체는 기존에 시냅스 탈강화에 요구될 것으로 보고되어, 공포기억의 소거에도 중요할 것으로 예상되어 왔었다. 이에 공포기억 소멸 훈련 이전에 그룹 II 대사성 글루탐산 수용체의 저해제를 편도체로 주입하여 공포기억 소거가 저해되는지를 확인하였다.
일련의 실험들을 통하여 본 논문에서는 공포기억의 인출 및 소거와 관련된 분자기전들을 밝혔다. 공포기억의 인출에는 GluA2를 포함하지 않는 CP-AMPA 수용체의 시냅스 삽입이 기억을 일시적으로 불안정하게 만드는데 기여하고 있으며, 공포기억의 소거에는 GSK3β와 그룹 II 대사성 글루탐산 수용체의 활성화가 핵심적인 역할을 할 것으로 여겨진다. 이러한 결과들은 기억 형성 이후, 전반적인 기억 처리 과정을 이해하는데 도움이 될 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Once a memory is formed and consolidated, it continuously changes throughout lifetime until it is erased. To update the original memory, the process for memory weakening (deconsolidation) is necessary. Although the molecular mechanisms for learning and memory formation have been intensively studied, the question “how about mechanisms underlying the changes taking place after memory formation?” is still unclear. Here I explore molecular mechanisms that mediate the process of memory weakening (deconsolidation) such as memory retrieval and erasure.
The amygdala is one of the brain regions that are heavily studied in memory researches because its neural circuits have been well-defined, and it has been known to encode fear memory. Fear memory is easily and quickly formed, and fear memory levels can be easily measured because fear responses are largely clear. Therefore, I identified the changes involved in memory retrieval and erasure after memory formation using the Pavlovian fear conditioning paradigm.
It has been known that consolidated memory after learning can become transiently unstable by memory retrieval. However, the molecular mechanisms involved in memory retrieval and the temporary lability after retrieval are largely unknown. Here I suggest that fear memory retrieval transiently increases insertion of GluA2-lacking, calcium-permeable α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid (CP-AMPA) receptors into synaptic membranes, in which the activity of N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptors and the internalization of GluA2-containing, calcium-impermeable AMPA (CI-AMPA) receptors are necessary. Furthermore, I show that CP-AMPA receptors that are inserted into synaptic membranes are required for subsequent reconsolidation after fear memory retrieval. I found that blocking NMDA receptor activities or GluA2 endocytosis inhibited insertion of CP-AMPA receptors and that blockade of CP-AMPA receptors after fear retrieval impaired reconsolidation of fear memory. These results indicate that CP-AMPA receptors represent a synaptic tag by which synapses for memory storage are specifically marked.
Recent studies have reported that the constitutive activity of the atypical PKC isoform Mζ (PKMζ) is essential for memory maintenance, and that zeta-inhibitory peptide (ZIP), a pseudosubstrate for PKMζ, disrupts long-term memory. In the middle of controversy about the contribution of PKMζ in learning and memory, I suggest that ZIP erases fear memory through direct activation of glycogen synthase kinase 3 β (GSK3β). In vitro kinase assays showed that ZIP directly activates GSK3β. Blockade of GSK3β activity prevented ZIP-induced depotentiation and amnesia. Further, I found that the activation of GSK3β in the presence of ZIP is mediated by the dephosphorylation of Serine-9 on GSK3β. These results indicate that the activation of GSK3β is implicated in memory erasure.
In addition to the activation of GSK3β, I suggest that the activity of group II metabotropic glutamate receptors (mGluRs) is required for memory extinction. Previous studies have demonstrated that the activation of group II mGluRs as well as group I mGluRs induces synaptic depotentiation in the amygdala, which is a synaptic model for memory extinction. I found that blocking group II mGluRs in the amygdala impaired fear extinction, consistent with the previous results.
In summary, I found the molecular mechanisms that are involved in memory weakening including the retrieval and erasure of fear memory. Retrieval of fear memory induces the insertion of GluA2-lacking CP-AMPA receptors into synaptic membranes, contributing to destabilization of memory. The activity of GSK3β and group II mGluRs is crucial for erasure of fear memory. These results will help to understand the molecular mechanisms for underlying memory-modulatory processes after memory formation.

목차 (Table of Contents)

• Contents
• Page
• Abstract i
• Contents v
• List of Figures viii
• Background
• 1. Memory processes 2
• 2. Memory molecules 9
• 3. Fear memory and Amygdala 12
• 4. Purpose and Hypothesis 15
• Chapter 1. AMPA receptor exchange underlies transient memory destabilization on retrieval.
• Abstract 18
• Introduction 20
• Materials and methods 24
• Results 32
• Discussion 47
• Chapter 2. Direct activation of GSK3β underlies the memory-erasing effect of ZIP.
• Abstract 53
• Introduction 54
• Materials and methods 57
• Results 65
• Discussion 82
• Chapter 3. Blockade of group II mGluRs impairs fear extinction.
• Abstract 86
• Introduction 87
• Materials and methods 90
• Results 93
• Discussion 99
• References 101
• 국문초록 117