Roles of tau and caspases in neuropathology of Alzheimer's disease

Abstract

Alzheimer's Disease (AD), the most common cause of dementia in elderly human, occurs when neurons in the memory and cognition regions of the brain are accompanied by massive accumulation of abnormal fibrous amyloid β-protein (Aβ) that is deposited as extracellular senile plaque, composed of the 39 to 43 amino-acid long peptides derived from the amyloid precursor protein (APP) by cleavage with β- and γ-secretase. In addition, Tau dysfunction and filamentous tau aggregates are also key marker Alzheimer pathologies that display neurofibrillary tangle (NFT). NFT is neuronal inclusions of microtubule-binding protein tau and is composed of phosphorylated and ubiquitinated tau aggregation that form β-pleated sheet structure. Both Aβ peptides and NFT were known to be main neuropathological hallmarks in Alzheimer's disease. Aggregated forms of Aβ-42 interact with several different neuronal cell-surface receptors, triggering signal transduction cascades that result in caspase activation by the cell death signal pathway, and tau proteins are abnormally hyperphosphorylated in the brains of AD's patients. In this study, we have focused in two areas of research ; ⅰ) how Aβ-42 deposits regulate the caspase activation, ⅱ) how overexpression of tau protein interacts with the tau-binding protein in vitro and in vivo. To test these, human SK-N-MC cells were stably transfected with a fusion gene, containing neuron-specific enolase (NSE)-controlled APPsw gene to induce Aβ-42. The transfected cells were then transiently transfected with pNSE/Splice, lacking human tau (pNSE/Splice), and pNSE/hTau, containing human tau, into the cells. pNSE/Splice- and pNSE/hTau-cells were then treated with lithium. We also microinjected pNSE/hTau into mouse fertilized egg to produce transgenic mice. In addition, we examined whether endogenous protein levels of caspases and Bcl-2 families are expressed in a differential manner during the embryonic and postnatal development of BDF1 strain. Here, we conclude that ⅰ) the inhibition of tau hyperphosphorylation induced lithium is a cause induction of Pin1 phosphorylation in pNSE/hTau-cells, but increased tau hyperphosphorylation leads to decrease the Pin1 hyperphosphorylation in pNSE/Splice-cells. ⅱ) we were produced, and founder mice were established transgenic mice expressing NSE-controlled tau gene. ⅲ) all four proteins with caspase-3, -9, Bcl-2 and Bax were highly expressed between embryonic day 19 and 1 week age of early postnatal development, but thereafter the expression dramatically declined. Thus, this observations suggest that lithium may have a protective and an inhibitive role to hyperphosphorylate or dephosphorylate tau for regulating Pin1 activation in protecting against AD. These patterns are also needed to compare the proteins in the brains of APPsw-transgenic mice that are expected to be expressed highly in the brain of adult mice. Also, transgenic mice expressing human tau are useful for the testing the mechanism of role of tau protein in vivo.;알츠하이머병은 노년에 나타나는 가장 일반적인 질병의 일종으로 지적능력과 기억능력을 유지하는데 중요한 뇌 부분의 신경세포들에 비정상적인 아밀로이드 베타 단백질의 과다 축적된 노인성반 (senile plaque)과 tau 단백질이 실타래처럼 꼬여 응집된 신경섬유원 (NFT)의 농축 등에 의해 발생하는 것으로 알려져 있다. 알츠하이머병 환자의 뇌에서의 노인성반은 Aβ-42의 과도한 발현으로 인하여 여러 종류의 다른 신경세포 표면의 수용체와 결합하여 상호작용을 통해 계단식의 신호작용을 거쳐 세포사멸 신호경로에 다다르며 이로 인하여 caspase의 활성화와 tau 단백질의 비정상적인 과인산화를 야기한다. 다시 말해, Aβ 펩타이드와 NFT는 알츠하이머병의 주로 신경병리학적 특성으로 알려져 있다. 본 논문에서는 두 부분으로 나누어 초점을 맞추었다. ⅰ) 어떻게 Aβ-42 침적이 caspase 활동을 조절하는가? ⅱ) 실험관내에서와 생체조건 내에서 tau 단백질의 과대발현이 tau와 결합하는 단백질과 어떻게 상호작용하는가? 이를 연구하기 위해 Aβ-42를 유도할 수 있는 neuron-specific enolase (NSE) promoter와 APPsw 유전자가 결합된 재조합 벡터를 SK-N-MC 세포에 영구적 트랜스펙션 시켰다. 이 세포에 사람의 tau 유전자를 포함한 pNSE/hTau와 tau가 제거된 pNSE/Splice를 일시적으로 트랜스펙션 시키고 리튬을 처리하였다. 또한 유전자변형 마우스를 생산하기 위해 수정된 난자에 pNSE/hTau를 미세주입 하였다. 그리고 Bcl-2와 caspase의 내생 단백질이 BDF1 계통의 마우스에서 태아기 때와 출생 후 발생 과정 동안 어떤 특성을 나타내는지를 알아보고자 하였다. 본 논문에서의 결론은 ⅰ) pNSE/hTau가 있는 세포에서 리튬에 의해 유도된 tau의 과인산화 억제는 Pin1의 인산화를 유도한다. 그러나 pNSE/Splice가 있는 세포에서 증가된 tau의 과인산화는 Pin1의 과인산화를 감소시킨다. ⅱ) NSE에 조절에 의해 tau 유전자를 발현하는 pNSE/hTau를 가진 유전자 변형 마우스를 생산하였다. ⅲ) Caspase-3, -9, Bcl-2, Bax 4종의 단백질인 태아기 때와 출생 후 1주 단계의 발생과정에서 높게 발현되나 2주부터는 급격히 감소하였다. 이러한 결과로 인하여 리튬은 알츠하이머 질병에 대항하여 보호하기 위해 Pin1의 활성을 조절하기 위해 tau의 과인산화를 막는 역할을 함을 알 수 있으며 이런 경향은 성인 마우스에서 높게 발현할 것으로 기대되는 APPsw 유전자변형 마우스의 뇌 단백질과 비교할 필요성이 있다. 또한 인간 Tau 유전자를 가진 유전자 변형 마우스는 생체조건에서 tau 단백질의 메카니즘을 연구하기 위해 유용하게 활용될 것으로 기대한다