Hyperphosphorylation of Microtubule-Associated Protein Tau : A promissing therapeutic Target for Alzheimer Disease 06808002 곽지예 06808020 백종숙

Why?

contents Abstract Introduction Tau protein The key player in AD A therapeutic target for AD Concluding remarks

Abstrct Alzheimer disease(AD) 는 성인 치매의 가장 흔한 질병 최근 연구에서 뇌에 존재하는 tau유전자의 비정상적 과인산화반응이 신경퇴행성과 Alzheimer disease의 분자적 병인으로 작용함을 제안했다. tau유전자의 비정상적 과 인산화반응에 기초를 둔 AD의 치료방법 glycogen synthase kinase-3β(GSK-3β), cyclin-dependent kinase 5(cdk5), 그 외의 tau kinase를 억제하는 방법 PP2A활성의 회복 tau O-GlcNAcylation의 약물표적화

INTRODUCTION Alzheimer disease 인식기능의 쇠퇴와 치매로 발전하는 특징을 가진 만성적 신경기원 질환 진단 후 평균 9년 이내로 사망 성인치매의 case중 가장 많은 비율을 차지 아밀로이드 반점(amyloid plaque)과 신경섬유엉킴(neurofibrillary tangles,NTFs)현상

INTRODUCTION Treatment acetylcholinesterase inhibitor anti-amyloid 인식기능을 향상 다른 약제로 불안함, 흥분, 정신이상을 조절 anti-amyloid amyloid β(Aβ)의 독성은 AD로의 발전에 주요한 역할 memantine NMDA(Nmethyl-D-aspartate) receptor 길항제이고 잠재적으로 신경을 보호 Tau는 치료의 target 최근에 AD의 신경 퇴행에서 tau의 비정상적 현상이 중요한 역할을 함이 밝혀짐으로써 tau가 치료의 target으로 전망이 있다고 알려짐.

TAU PROTEIN 인간의 tau 유전자는 chromosome 17 의 long arm(17q21)에 존재하고 16개의 exon을 포함 single tau 유전자는 뇌에서 mRNA의 alternative splicing을 거쳐 여섯 개의 tau isoform으로 발현 이 여섯 개의 tau isoform은 N-terminal부분에 한 개나 두 개의 삽입물(29 또는 58개의 아미노산)의 존재 혹은 결여 그리고 C-termanal 중간부분의 3개나 4개의 반복의 존재에 따라서 각각 다르다.

TAU PROTEIN 여섯 개의 tau isoform은 각각 특정한 생리학적 역할, 다른 생물학적 활성을 가짐 여섯 개의 tau isoform 모두 성인의 뇌에서 발현하는 반면 오직 제일 작은 isoform만이 태아의 뇌에서 발현 tau isoform의 변형된 비율 전두측두엽 치매(Frontotemporal dementia) 17번 염색체와 연관된 파킨스병(FTDP-17) Pick disease 와 같은 신경퇴행성 질환 tau의 기능 긍적적인효과 미세소관 안정화 신경돌기의 확장과 안정화를 제공 부정적 효과 운동단백질(motor protein)인 키네신(kinesin)과 경쟁작용 →축산운반의 감소 야기

ABNORMAL HYPERPHOSPHORYLATION OF TAU-THE KEY PLAYER OF NEUROFIBRILLARY DEGENERATION IN AD

Abnormal hyperphosphorylation of Tau in AD Glycosylation Ubiquitination Glycation Polyamination nitration Truncation Aggregation

Abnormal hyperphosphorylation of Tau in AD paired helical filament(PHFs) 정상 뇌의 tau - 1몰당 2-3몰의 인산을 포함하며 인간 뇌 생검조직에서 tau의 몇몇 serine 과 threonine 잔여물을 정상적인 level안에서 인산화된다는 것을 확인하였다. Tau의 인산화는 미세소관의 형성 촉진을 억제 비정상적으로 과인산화된 tau가 AD에서의 PHFs의 주요한 구성성분이라고 발표된 후 tau의 과인산화는 광범위하게 연구되었다. AD의 뇌에서 분리된 tau protein은 오늘날 까지 40개 이상의 인산화 장소가 밝혀졌다.

Abnormal hyperphosphorylation of Tau in AD Ser262, Thr231, Ser235에서의 tau의 인산화는 미세소관으로의 결합을 각각 35%, 25%, 10%까지 억제 Ser199/Ser202/Thr205, Thr212, Thr231/Ser235, Ser262/Ser356, Ser422 는 tau가 억제작용의 분자로 변하게 하는 결정적인 인산화 부분에 존재 이러한 억제작용은 정상 미세소관과, 그 미세소관과 연관된 단백질의 분리로 이루어 진다 Thr231, Ser396, Ser422는 filament 안으로 tau의 자가응집의 형성을 촉진 이와 비슷하게 tau에서 Ser396, Ser404가 Glu로의 변이가 일어난다면 더욱 fibrinogenic하게 되고, Ser422가 Glu로 변형된다면 응집하는 경향이 더욱 증가

Abnormal hyperphosphorylation of Tau in AD 초기의 연구에서 뇌의 NFTs의 수와 치매의 심한 정도가 상호관련이 있으며 응집된 NFTs는 신경퇴행을 야기할 수 있다고 알려졌다. 신체 외에서 PHFs로의 과인산화된 tau의 중합반응은 다른 MAPs를 격리시키는 독성활성을 얻는다. 그러므로 NFTs는 손상의 marker로서 여겨진다. 실제로 PHTs/NFTs로의 비정상적 tau 독성의 중합은 비정상적으로 과인산화된 tau의 독성 활성을 감소시키는 신경의 mechamism으로 방어 할 수 있다. 이러한 현상은 Huntington disease, cardiomyopathy와 같은 비정상적 단백질 응집의 특성이 있는 질환에서 공통적으로 나타난다.

Potential Causes Leading to Abnormal Hyperphosphorylation of Tau in AD tau 인산화의 정상적 레벨은 tau kinase와 tau phosphatase에 영향을 받는다 tau kinase glycogen-synthase kinase-3β(GSK-3β) cyclin-dependent protein kinase 5(cdk5) cAMP-dependent protein kinase(PKA) stress-activated protein kinase tau phosphatase PP2A

Potential Causes Leading to Abnormal Hyperphosphorylation of Tau in AD O-GlcNAcylation tau의 serine/threonin 잔여물이 β-N-acetylglucosamine(GlcNAc)이라 불리는 단당류에 의해 변형된것 체내와 체외에서 tau의 인산화를 반비례적으로 조절 O-GlcNAcylation은 AD의 뇌에서 감소되고, 이러한 감소는 tau의 과인산화와 연관된다. tau O-GlcNAcylation이 glucose 대사작용에 의해 직접적으로 조절되기 때문에 AD의 뇌에서 감소된 glucose 대사는 O-GlcNAcylation를 감소시킬수 있고 이것은 신경섬유의 퇴화로 이어지는 tau의 과인산화를 촉진한다.

Mechanism of Neurofibrillary Degeneration Normal tau Abnormally hyperphosphorylated tau Neurotoxicity Death of neurons Dementia Mechanism of Neurofibrillary Degeneration 비정상 과인산화는 신경섬유 퇴화에 중요한 역할을 함. 비정상적으로 과인산화된 tau는 생물학적 활성을 상실, 미세소관에서 떨어져 나온다. 이 과인산화된 tau는 신경세포에 독성으로 작용. 신경세포 사멸과 치매를 유발. Detached from MTs Intraneuronal tau↑ Misfolded/oligometric tau PHFs/NFTs

TAU HYPERPHOSPHORYLATION – A THERAPEUTIC TARGET FOR AD The Therapeutic strategies for AD 과인산화를 억제 또는 역전환. tua misfolding/aggregation 억제. 비정상 tau의 신경세포 독성 억제. tau의 제거를 증가시킴. Tau Kinase : GSK- 3β, cdk5, PKA Tau phosphatase : PP2A

Targeting GSK-3β 지금 까지 Tau kinase를 target으로한 약제는 대부분 GSK- 3β 억제제이다. 인체는 GSK- 3β inhibiton에 내성이 좋기때문에 약제 개발로 적당하다. GSK- 3β 억제는 Aβ도 억제 ⇒ 세포생존을 도움. 그러나 GSK- 3β 억제에 의해서 포도당 대사와 종양발생 조절에 부작용 문제가 남아있음.

Targeting cdk5 Cdk5 억제제 중 다수는 cdk5 선택성 낮음. Purine roscovitine: - 유전이식 쥐에게 투여시 tau의 과인산화를 감소시킴. p25의 절단: p25는 강력한 cdk5 활성물. 이 peptide를 억제하면 tau 과인산화와 신경세포 사멸을 줄일 수 있다. Cdk5억제는 Aβ를 감소시킴 ⇒ tau 과인산화 감소 그러나 cdk5의 억제는 GSK- 3β를 활성화시키기 때문에 사용할 수 없다.

Targeting Other Tau Kinases PKA, mitogen-activated protein kinase, casein kinase 등. 이 protien kinases는 tau 인산화를 촉매한다. 선택성이 불충분함. 운동 장애를 지연시키고 과인산화 tau의 응집을 감소시키는 효능. 엄격히 조절되고 vital signaling pathway에 결정적으로 작용. ⇒ Kinase 억제제를 치료를 위해 개발할 때, 부작용에 초점을 두고 개발해야 함.

Targeting Tau Phosphatases PP2A는 뇌에서 주요 tau phosphatase. ⇒ target으로 일차적으로 고려됨. 모든 protein phosphatase는 기질에 대한 특이성 범위가 kinase보다 넓음 ⇒ 부작용이 kinase보다 더 많음. Memantine NMDA수용체의 길항제 임상적으로 Ad치료에 효과적. PP2A활성을 회복 시킴 Tau의 과인산화 역전환 시킴.

Targeting Brain Glucose Metabolism and Tau O-GlcNAcylation AD 뇌는 포도당 섭취와 대사가 손상됨 ⇒ 그 결과 신경퇴화의 원인이 됨. 원인 뇌 혈류 감소 뇌 인슐린 signaling 부족 뇌 포도당 transporter 부족 산화적 스트레스 Brain glucose uptake/metabolism 손상 Tau phosphatase 통제차단 Tau O-GlcNAcylation 감소 Tua의 비정상 과인산화 촉진

Targeting Brain Glucose Metabolism and Tau O-GlcNAcylation Rosiglitazone -주로 type 2 당뇨병을 치료하는 인슐린 sensitizer(증감제). -최근 임상적 시도에서 AD환자 치료에 효능을 나타냄.(apo E4 allele를 갖지 않는 환자) -뇌 인슐린 감도를 증가, 뇌 당 대사 회복, O-GlcNAcylation증가시킴. ⇒ 결과적으로 tau의 과인산화를 억제. O-GlcNAc를 제거하는 효소(O-GlcNAcase)를 억제 ⇒ O-GlcNAcylation 증가 시켜 과인산화를 억제.

CONCLUDING REMARKS 현재 AD 치료를 위해서 tau 과인산화를 target으로한 치료전략의 상황. 억제가 활성화 보다 효과적. Monotherapy보다 multi-target therapy가 더 효능이 좋음. AD 치료를 성공적으로 완성하기 위해서는 이 질병에 관한 정확한 분자적 메커니즘 이해가 필요함.