타우 단백질이 기억과 신경 신호에 미치는 초기 영향: 알츠하이머병 모델에서 시냅스와 신경 경로 손상 분석

1. 논문설명

타우병증을 모델링한 두 유전자 변형마우스 모델(Tau.P301L and biGT)을 사용하여 알츠하이머병(AD)과 같은 신경퇴행성 질환에서 타우 단백질 축적이 해마와  Entorhinal Cortex (ERC)사이의 연결에 미치는 영향을 연구함. 특히, 타우병증이 시냅스와 myelinated axon에 미치는 초기 구조적 및 기능적 결함을 조사함. 연구 결과는 타우 단백질이 해마와 ERC의 구조와 기능에 영향을 미치며, 특히 시냅스와 myelinated axon 의 손상이 이들영역을 연결하는 경로에서 일어나는것을 보여줌. AD에서 백질(white matter)의 변화, 특히 myelinated axon의 손상이 AD에서 큰 역할을 한다는 것을 강조함. 기존 연구는 주로 타우 단백질이 회백질에서의 축적과 시냅스 손상에 미치는 영향을 다루고 있지만 이 연구는 백질 내 myelinated axon의 결함이 질병 초기부터 인지 기능 저하에 기여할 수 있음을 제안함. 

* 타우린병 : Tauopathy. 비정상적인 타우 단백질의 응집을 특징으로 하는 신경퇴행성 질환의 한 종류이며, 타우단백질의 과인산화로 인해 타우 단백질이 미세소관에서 분리되어 신경원섬유엉킴이라는 불용성 응집체를 형성하게 됨.

* myelinated axon : myelin sheath 라는 절연 물질로 둘러싸인 신경세포의 축삭(axon)을 말함. 축삭은 신경세포에서 다른 신경세포나 근육으로 신호를 전달하는 구조로 미엘린 수초가 이 축삭을 감싸면 전기 신호가 빠르게 전달된다.

2. 실험

1) 인지 기능 테스트 (NORT 및 PIA 실험): 타우병이 인지 기능에 미치는 영향을 평가하기 위해서 두 테스트를 사용. NORT는 마우스가 새롭고 이전에 본 적없는 물체에 대해 얼마나 더 오래 탐색하는지 관찰. 두개의 동일한 물체를 놓고 탐색 시간을 기록한 후 , 4시간뒤 새로운 물체와 기존 물체를 다시 제시하여 얼마나 오래 새로운 물체를 탐색하는지 확인함. PIA는 두 구역으로 나뉜 상자에서, 마우스가 밝은 구역에서 어두운 구역으로 들어가면 발바닥에 약한 전기 충격을 가함. 하루 뒤에 동일한 상황을 주었을때, 마우스가 어두운 구역으로 들어가기까지의 시간을 측정하여 기억능력을 평가. 결과 : Tau.P301L 마우스는 어린 나이부터 인지 능력 저하를 보였으며, biGT 마우스에서는 더 심각한 인지 결함이 관찰되었습니다. 이는 해마의 시냅스 가소성 문제와 연관이 있음을 시사함.

2) 수상돌기 가시 분석 : 타우병증이 시냅스 밀도와 가시(수상돌기의 작은 돌기)의 성숙도에 미치는 영향을 평가. 타우병증 모델 마우스의 해마 내 CA1 영역의 수상돌기 가시 밀도를 현미경을 통해 분석했습니다. 특히 성숙된 가시(버섯 모양의 가시)의 비율을 측정하여 시냅스의 기능적 상태를 평가했습니다. 결과: 젊은 Tau.P301L 마우스에서는 수상돌기 가시 밀도는 크게 변하지 않았지만, 성숙된 가시의 비율이 감소한 것으로 나타났습니다. 이는 시냅스 기능에 부정적인 영향을 미친다는 증거입니다.

3) 전기생리학적 분석 (LTP 측정) : 타우병증이 시냅스 가소성, 특히 장기강화(LTP)에 미치는 영향을 분석하여 학습 및 기억과 관련된 신경 가소성을 평가. 해마 절편을 추출하여, 전극을 통해 자극을 가하고 시냅스에서 발생하는 전위 변화(fEPSP)를 측정. TA 경로를 자극하여 장기강화(LTP)를 유도하고, 그 후의 전기 신호 증폭을 기록했습니다. 결과 : Tau.P301L 마우스는 정상적인 LTP를 나타냈지만, biGT 마우스는 LTP가 감소하여 타우 단백질과 GSK3b의 결합이 시냅스 가소성을 심각하게 저해한다는 사실을 드러냄.

4) Myelinated 분석 : 타우병증이 유수축삭의 구조적 결함을 유발하는지 평가하기 위해 TA 경로의 축삭과 미엘린 구조를 분석. DiI 염색: 마우스의 내후각 피질(ERC)에 DiI라는 염색 물질을 주입하여, 해마까지 확산되는 미엘린화된 축삭을 시각화함. 이 염료는 유수축삭을 따라 확산되므로, 축삭 경로의 완전성을 평가하는 데 사용. 전자현미경 분석: 유수축삭의 미세 구조를 관찰하기 위해 전자현미경을 사용하여 미엘린 수초의 결함 여부를 확인함. 결과: Tau.P301L 마우스는 TA 경로에서 유수축삭의 미엘린 수초가 손상된 것으로 나타났으며, biGT 마우스에서는 이 손상이 더욱 심각했습니다. 특히, 많은 축삭이 미엘린 수초가 잘못 형성되거나 손상된 상태였습니다

5)백질의 생화학적 분석: 타우병증이 미엘린 관련 단백질에 미치는 영향을 분자 수준에서 평가. 해마에서 미엘린과 관련된 단백질인 CNPase의 두 가지 아이소폼(CNP1 및 CNP2)의 양을 서던 블롯(Southern blot)으로 측정했습니다. 또한, 면역염색을 통해 미엘린 손상을 시각적으로 확인함. Tau.P301L 및 biGT 마우스 모두 CNPase 단백질 수준이 감소했으며, 특히 biGT 마우스에서 더 심각한 감소가 관찰되었습니다. 이는 미엘린화 축삭에서의 결함을 뒷받침하는 분자적 증거로 확인되었습니다.

3. 결론

이 연구는 타우병증이 AD와 같은 신경퇴행성 질환에서 인지 기능 저하와 시냅스 및 유수축삭 결함을 초래한다는 사실을 입증했습니다. 각 실험은 다음과 같이 최종 결론을 도출하는 데 필수적인 역할을 했습니다:

• 인지 기능 테스트는 시냅스 및 축삭 결함이 실제로 인지 기능 저하로 이어진다는 것을 보여주었고,
• 수상돌기 가시 분석은 타우병증이 시냅스의 구조적 변화를 초래하며, 이는 기능적 결함으로 이어진다는 사실을 설명했습니다.
• 전기생리학적 실험은 시냅스의 기능적 결함을 직접적으로 입증했고,
• 유수축삭 및 백질 분석은 타우병증이 유수축삭의 구조적 손상을 유발하며, 이는 시냅스 기능과 인지 기능에 중요한 역할을 한다는 점을 강조했습니다.

따라서, 이 연구는 타우병증이 시냅스 및 유수축삭에 미치는 영향을 다각적으로 분석하여 AD 진행 과정에서 백질 손상이 중요한 역할을 할 수 있음을 강조합니다.

 

출처 : Maurin H, Chong SA, Kraev I, Davies H, Kremer A, Seymour CM, Lechat B, Jaworski T, Borghgraef P, Devijver H, Callewaert G, Stewart MG, Van Leuven F. Early structural and functional defects in synapses and myelinated axons in stratum lacunosum moleculare in two preclinical models for tauopathy. PLoS One. 2014 Feb 3;9(2):e87605. doi: 10.1371/journal.pone.0087605. PMID: 24498342; PMCID: PMC3912020.