신경퇴행성질환에서 tau 에대한최근연구동향 [ ] - Zimmer ER et al., In vivo tracking of tau pathology using positron emission tomography (PET) molecular imaging in small animals. 2014. Transl Neurodegener. 3:6. - Castillo-Carranza DL et al., Passive Immunization with Tau Oligomer Monoclonal Antibody Reverses Tauopathy Phenotypes without Affecting Hyperphosphorylated Neurofibrillary Tangles. 2014. J Neurosci. 34(12):4260-72. - Winblad B et al., Active immunotherapy options for Alzheimer s disease. 2014. Alzheimers Res Ther. 6(1):7. - Yanamandra K et al., Anti-tau antibodies that block tau aggregate seeding in vitro markedly decrease pathology and improve cognition in vivo. 2013. Neuron 80(2):402-14. - Theunis C et al., Efficacy and safety of a liposomebased vaccine against protein Tau, assessed in tau. P301L mice that model tauopathy. 2013. PLoS One 8(8):e72301. - d'abramo C et al., Tau passive immunotherapy in mutant P301L mice: antibody affinity versus specificity. 2013. PLoS One 8(4):e62402. - Mandelkow EM and Mandelkow E. Biochemistry and Cell Biology of Tau Protein in Neurofibrillary Degeneration. 2012. Cold Spring Harb Perspect. 2(7):a006247. - de Calignon A et al., Propagation of Tau Pathology in a Model of Early Alzheimer s Disease. 2012. Neuron. 73(4):685-97. - Troquier L et al., Targeting phospho-ser422 by active Tau Immunotherapy in the THYTau22 mouse model: a suitable therapeutic approach. 2012. Curr Alzheimer Res. 9(4):397-405. - Chai X et al., Passive Immunization with Anti-Tau Antibodies in Two Transgenic Models. 2011. J Biol Chem. 286(39):34457-67. - Bi M et al., Tau-targeted immunization impedes progression of neurofibrillary histopathology in aged P301L tau transgenic mice. 2011. PLoS One 6(12):e26860. - Yamada K et al., In Vivo Microdialysis Reveals Age- Dependent Decrease of Brain Interstitial Fluid Tau Levels in P301S Human Tau Transgenic Mice. 2011. J Neurosci. 31(37):13110-7. - Boutajangout A et al., Passive immunization targeting pathological phospho-tau protein in a 1 분자세포생물학뉴스레터
molecular and cellular Biology Newsletter mouse model reduces functional decline and clears tau aggregates from the brain. 2011. J Neurochem. 118(4):658-67. - Boutajangout A et al., Immunotherapy targeting pathological tau prevents cognitive decline in a new tangle mouse model. 2010. J Neurosci. 30(49):16559-66. - Rosenmann H et al., Tauopathy-like abnormalities and neurologic deficits in mice immunized with neuronal tau protein. 2006. Arch Neurol. 63(10):1459-67. 서론알츠하이머병 (Alzheimer s disease, AD) 이나파킨슨병 (Parkinson s disease, PD), 헌팅턴병 (Huntington s diease, HD), 루게릭병 (amyotrophic lateral sclerosis, ALS) 등을비롯한여러신경퇴행성질환 (neurodegenerative disease) 들은세포분자생물학적기전을통해특정단백질들이비정상적인구조를지니게되면서서로응집하여내포체 (inclusion body) 를형성한다는공통점을가진다. 알츠하이머병에서는베타아밀로이드 (Amyloid β, Aβ) 펩티드로형성된노인성플라크 (senile plaque, Aβ plaque) 와타우 (tau) 단백질이주성분인신경섬유덩어리 (Neurofibrillary tangles, NFT) 가발견된다. 환자들의뇌척수액 (cerebrospinal fluid, CSF) 을분석해보면 Aβ1-42는그농도가 3배정도감소해있고 tau의농도는 3배가까이증가해있어이는현재알츠하이머병을진단하는중요한바이오마커 (biomarker) 로쓰이고있다. 알츠하이머병은전체치매의 60% 이상으로추정되고있으며노년층의인구증가와함께급격히증가하고있으나아직알츠하이머를늦추거나고칠수있는치료제는없다. 학계에서는 Aβ의 oligomer 또는 Aβ 플라크가알츠하이머병의원인이라고여기는아밀로이드가설에의거, Aβ를치료의표적으로삼은여러연구와임상연구를현재까지진행해오고있다. 그러나최근 tau 생물학에도많은연구의초 점이모아지고있다. 실제로뇌척수액의 tau는알츠하이머의전구기간 (prodromal stage) 에증가하기시작하여발병후병이진행되는동안증가한양이안정적으로유지되고 NFT는발병초기부터발견되며그양이병의진행과함께점차적으로증가한다. 한편, NFT는 AD 이외에도전두측두치매 (Frototemporal dimentia FTD), 진행성핵상마비 (Progressive cupranuclear palsy, PSP), 픽씨병 (Pick s disease), 만성외상성뇌병증 (Chronic traumatic encephalopathy, CTE) 등다른타우병증 (tauopathy) 신경질환에서도나타나고이들질병에대한치료제또한개발되지않은실정이다. 최근동물질병모델을이용한실험들에서 tau를겨냥한치료요법이고무적인결과를보여주고있다. 본리뷰에서는 tau의분자세포생물학, tau에대한항체적접근에힘을실어주고있는 extracellular tau spreading을비롯한질병기작, 그리고아직동물실험단계인항체연구를중심으로한 tau를겨냥한치료연구에대해서다룰것이다. Tau 분자세포생물학 Tau는정상적인신경세포의 axon에주로존재하는 microtubule-associated protein(map) 중의하나이다. Tau는 in vitro에서 microtubule의안정성을증가시킨다. 많은연구들이보고되었지만 tau의세포내실제적역할및중요성은아직도정설이확립되지않은상태이다. Tau knockout mouse에서도현재까지뚜렷한세포내형질이발견되지않고있다. 지금까지의연구들은 tau가세포에서발생단계에서 axon 발달에관여하고 microtubule assembly 및 dynamics를조절하고 mitochondria등의세포내기관 (organelle) 들의 axon을통한이동조절에관여할것임을시사하고있다. Tau는한유전자를가지고있으며 alternative splicing 을통해뇌에서 6개의주요 isoform이발현된다. Tau의 N-terminal에세포막과결합할수있다는연구결과들이있고 proline-rich domain과다수의 phosphorylation site가존재하고 C-terminal region에 microtubule- 웹진 2014 ㅣ 06 2
binding domain repeat들이있다. 정상상태에서 tau 는내재적으로무질서하고틀이없는구조를지니고있어 (intrinsically disordered) X-ray crystallography 등구조생물학적접근이어려운단백질이다. Tau에는다수의 serine/threonine phosphorylation, tyrosine phosphorylation, acetylation, isomerization, nitration, glycation, ubiquitination, O-GlcNAcylation, cleavage by caspase 등의 posttranslational modification이일어난다. 특히 phosphorylation의증가는비정상적인 tau의특징이다. GSK3β, Cdk5, PKA, MAPK, MARK, casein kinase 등수십가지의 kinase가 tau를인산화시킬수있다. 현재까지알려진 tau와결합하는단백질로 β-tubulin, ApoE, c-src, F-actin, fyn, PLC-γ, dynein, 14-3-3, Heat shock protein 등이있으며이들과의상호작용을통하여정상세포와비정상세포에서 tau의기능을이해하려는많은연구가진행중이다. 어떤형태의 tau가신경세포에독성을가지는가? Tau의돌연변이 (mutation) 나유전자발현의변화는 AD에서는발견되지않고있다. 그러나 FTDP- 17(frontotemporal dementia with parkinsonism linked to chromosome 17) 환자들에서 G272V, N279K, P301L, P301S, S305N, V337M, K369I, R406W 등 50가지에가까운다수의 tau mutation이발견되었다. 이중몇가지 mutant tau를발현하는생쥐모델 (transgenic mouse model) 이제작되었는데그중 P301L, P301S 발현생쥐 (P301L.Tg 및 P301S.Tg) 는현재여러그룹에서널리사용되고있는 neurodegeneration 동물모델이다. 세포기반연구와동물연구, 환자들의유전자연구를통해볼때이 mutation이 FTDP-17에서 tau를신경세포에독성을가지는형태로만드는데역할을가질거라고여겨지고있다. 그구체적인기작에대해서는현재많은연구가진행중이다. NFT를구성하는 tau는 paired helical filament(phf) 구조를가지고불용성 (insoluble) 이며다량의인산화 (hyperphosphorylation) 을보이고있다. 주요 phosphorylation site로 pt181, ps199, ps202, pt205, pt212, ps214, pt231, ps235, ps396, ps404, ps409, ps422 등이있다. aggregation과 hyperphsohporylation 이 neurodegeneration의원인인지결과인지에대해서는아직논란이남아있지만많은연구들이이를원인으로간주하고있으며 phosphorylated tau(p-tau) 또는 PHF를항원으로만든여러항체들이치료효과가있는지동물실험에서연구되고있다. 그러나최근에는 NFT는병리학적으로마지막단계의산물이고실제로신경세포에독성을가지는 tau의형태는 soluble oligomeric form라는주장이힘을싣고있고이를증명하는여러결과가보고되고있으며이를겨냥한항체의효과에대한연구또한최근보고되었다. 세포밖으로나가서다른신경세포로퍼져가는 tau AD 환자들의뇌를병리학적으로분석한결과에의하면발병초기의환자에서 NFT는 entorhinal cortex의 circumscribed area에서나타나기시작하며 AD의진행정도에따라 NFT가그곳에서가까운 hippocampus와 cortex 로방향성을두고예측가능한패턴으로점차적으로퍼져간다. 병리가관찰되는뇌부위및단백질의종류는다르지만 PD나 ALS 등노화와밀접한관련이있는다른신경퇴행성질환에서도이와같은 spreading 현상이관찰되고있다. 실제로여러 in vivo 동물실험및 in vitro 세포실험연구들을통해 tau aggregates는마치 prion처럼세포사이에서퍼져나감이관찰되고있다. 배양세포실험에서인위적으로발현한 tau가인접한다른세포에서발견되며생쥐실험에서 P301L human tau를 entorhinal cortex에발현시키면시간을두고 hippocampus의 dentate gyrus 및 CA 그리고 cingulated cortex까지점차적으로발현한 tau 가퍼져가며그부위에서쥐의 endogenous tau와함께 aggregates를형성한다. 과연 tau가어떻게다른세포로전이되는지에대한기작에관한연구는현재뜨거운관심사인데놀랍게도아직정설은확립되지않았다. Tau는세포내단백질 (cytoplsmic protein) 이지만뇌척수액 (CSF) 에서관찰되고뇌에서세포 3 분자세포생물학뉴스레터
molecular and cellular Biology Newsletter 틈새공간의간질액 (interstitial fluid) 에서 CSF보다높은농도로존재하며 tau pathology가있는쥐모델에서는그농도가증가해있다. Tau가세포밖으로나가는기작은아직분명히밝혀지지않았으나 exosome이라는기관을통한 secretion, 세포막또는막단백질과결합한형태로아직알려지지않은통로를통한 secretion, 세포의죽음을통한수동적인방출등의기작이제시되고있다. 최근신경세포의전기적활성 (neuronal activity) 가세포외 tau를증가시킨다고보고되었으나그기작은규명되지않았다. 한편세포외의 tau를어떻게다른신경세포가받아들이는지에대해서도현재많은연구가보고되었으며아직완전히이해되지는않았다. Tau는 Rab5와같은 endosome marker등과함께존재함이발견되고있으며 dynamin inhibitor 등에의해 uptake가감소하는것으로보아 active endocytosis 과정을통할것으로생각되나 macropinosome이관여할가능성또한보고되고있다. 한편, 정상세포에서 axon에주로존재하는 tau가비정상적인상태에서는 somatodendritic region에축적된다. Tau의 secretion과 uptake가신경세포에서 presynaptic 또는 postsynaptic compartment 등의특화된구역에서일어나고구역에따라다르게조절될가능성이있다. 세포에들어온 tau는 lysosomal/autophagy pathway와 proteasome-mediated pathway들을통하여제거됨이보고되어있다. 과잉으로존재하는비정상적인 tau를이들시스템이제대로처리하지못할때신경세포에독성을야기할것이다. Tau를겨냥한항체를통한신경퇴행성질환의치료를위한연구 Tau가신경세포와신경세포사이를퍼져나간다는최근의발견들은항체를이용한치료개발연구에힘을실어주고있다. 세포배양실험에서도 tau에대한항체를투여하면세포내로 tau의유입이줄어듦이관찰되고있다. Tau에대한항체의효능을검증하는동물실험연구는최근뜨거운관심을받고있다. Pathological tau species에존재하는 phosphorylation site가포함된 peptide 항원을직접투입하여개체가 tau에 대한항체를만들도록유도하고이를통해 pathological tau 를제거하는 active immunization 시도들은 pathological tau를발현하는생쥐모델에서 NFT를감소시키고행동학적능력을개선시켰다. ps202/pt205, pt212/ps214, pt231, ps396/ps404, ps422 등에대한 active immunization이각각효능을보였다. 그러나 unmodified recombinant full length tau를항원으로한 active immunization시도에서는뇌척수염 (encephalomyelitis) 와 axon의손상등을가져와서 tau를겨냥한 active immunization 자체에대한안전성문제가제기되기도했다. 한편, 미리만든 tau에대한항체를 pathological tau 를발현하는쥐에주입하여그효능을알아보는 passive immunization 연구도 2011년 PHF1(pS396pS404에대한항체 ) 를투입한 P301L mutant를발현하는 JNBL 형질전환생쥐에서 tau aggregates가감소함이보고된이후여러그룹에서보고되고있다. 같은해 pathological tau의구조를특이적으로인식한다고알려진 MC1 항체와 PHF1 항체의효과를 JNPL 및 P301S.tg 생쥐에서조사한연구에서는이들항체가각각생화학적, 병리학적, 동물행동학적분석을통해 phosphorylated tau의감소, 생쥐의체중감소완화, 운동능력의부분적회복등을가능하게함을보고했다. Paired helical filament(phf) 를이용하여현재학계에서널리쓰이는많은항체를개발한 Peter Davies 그룹에서 JNPL 생쥐에서그항체들중 PHF1, MC1 의효과를다시확인하였고 pan-tau 항체인 DA31의효과도확인하였다. 한편, soluble oligomeric tau를특정적으로인식하는 TOMA 항체가 JNPL 생쥐에서 oligomeric tau를감소시키고운동능력및기억능력이회복시킴이보고된바있다. 최근에는 unmodified recombinant full length tau를항원으로만들어진항체들 (HJ9.3 (a.a. 306-320), HJ9.4 (a.a. 7-13), HJ8.5 (a.a. 25-30) 을각각 P301S 형질전환쥐의측뇌실 (lateral ventricle) 에주사한결과 hyperphosphorylated insoluble tau가감소하며, tau의 seeding 및 spreading 이감소하며인지능력결함이향상됨이관찰되었다. 이러한여러항체연구의고무적인결과들은 tau가실제로항체치료의목표물이될수있다는개념을 웹진 2014 ㅣ 06 4
입증 (proof of concept) 하는중요한결과들로치료제개발 에희망을던져주고있다. 향후전망최근몇년간 tau에대한연구가활기를띠고이를겨냥한치료목적의연구또한많은기대를받고있다. 본문에서언급한대로아직풀리지않은여러질문들 - 정상세포에서 tau의기본역할, 어떤형태의 tau가실제로독성을지니는지, pathological tau가어떻게신경세포의기능을교란하고신경세포를죽이는지, 그리고 tau가어떻게세포밖으로나가며다른신경세포에들어가는지, 또 tau에대한항체가어떠한세포분자학적기작을통하여효능을나타는지 - 에대한결정적이고확고한증거들이향후많이제시되길기대해본다. 한편치료를목적으로한연구뿐만이아니라생체에서 tau의변화를보다정확하게측정할수있는진단기술의획득은향후실제환자들을대상으로하는임상실험에서후보치료제의효능의판단하는데필수적일것일것이다. 최근 tau에대한 PET imaging probe가개발되어보고되기시작하고있는데이분야에도많은진전이있기를기대한다. 이승혜 ( Department of Neuroscience, Genentech Inc., South San Francisco, california 94080, USA) 5 분자세포생물학뉴스레터