알츠하이머병 동물모델에서 글루타니밀 사이클레아제와 감마-시크리테아제 활성의 연관관계 규명

Abstract

알츠하이머병은 노인에게서 주로 나타나는 퇴행성 뇌질환으로 neurofibrillary tangle 과 amyloid beta (Aβ) 로 구성된 senile plaque 의 생성, 그리고 neuronal loss 를 특징으로 한다. Amyloid beta (Aβ) peptide 는 amyloid precursor protein 에 β- 와 γ-secretase 의 연속적인 촉매작용이 활성화되면서 생성된다. Aβ peptide 는 post-translational modification 에 의해 여러 형태로 존재하는 것으로 알려져 있으며, 대표적인 단백질 형태로는 Aβ42, Aβ40, pyroglutamate Aβ (N3pE Aβ) species 등이 있다. 이 중 pyroglutamate Aβ 는 senile plaque 의 주요 구성물질로서 알츠하이머병 연구의 역사에 비해 비교적 최근에 알려졌다. 이것은 높은 응집력과 안정성, 그리고 소수성을 특징으로 가져서 다른 형태의 Aβ 보다 더 치명적인 것으로 알려져 주목을 받고 있다. 이전의 연구에서 pyroglutamate Aβ 는 미지의 aminopeptidase에 의해 아미노 말단의 두개의 아미노산이 잘린 후에 glutaminyl cyclase의 촉매 작용에 의해 형성된다. 본 연구에서는 QC inhibitor 의 처리에 의한 감소된 효소 활성이 γ-secretase의 활성에 어떻게 영향을 미치는지 세포주와 질환동물모델을 이용하여 알아보았다. 그 결과, 억제제가 glutaminyl cyclase의 활성과 γ-secretase 의 활성을 감소시킨 것을 세포주에서 확인할 수 있었으며, 또한 N3pE-42 Aβ 뿐만 아니라 Aβ42 의 생성이 알츠하이머병 질환동물모델인5XFAD의subiculum 에서 감소하는 것을 ELISA 및 immunohistochemistry 를 통해 확인할 수 있었다. 이를 바탕으로 본 연구는 glutaminyl cyclase 가 γ-secretase 의 활성을 변화시키는 것을 통해 Aβ 형성을 조절하는 새로운 기전을 밝히고자 하였으며, 궁긍적으로는 새로운 알츠하이머병 치료제 개발의 바탕이 될 수 있는 알츠하이머 병인 기전을 연구하고자 하였다.

Alzheimers disease (AD) is the most prevalent neurodegenerative disorder characterized by neurofibrillary tangles, senile plaques and neuronal loss. Amyloid-β(Aβ) peptides are produced from amyloid precursor protein (APP) by consecutive catalysis of β- and γ-secretases. Diverse modified forms of Aβ are discovered, including pyroglutamate (N3pE) Aβ. N3pE-42 Aβ has received considerable attention as one of major constituents in the senile plaques of AD brains because it has a higher aggregation velocity, stability and hydrophobicity compared to full-length Aβ. Previous studies suggested N3pE-42 Aβ formation is catalyzed by glutaminyl cyclase (QC) following limited proteolysis of Aβ at the N-terminus. Here, we reveal that decreased QC activity via application of QC inhibitor (QCI) modulates γ-secretase activity resulting in diminished plaque formation as well as reduced N3pE-42 Aβaggregates. First, we demonstrate that treatment of QCI reduces QC activity and γ-secretase activity in vitro. We also verify the effect of QCI on the formation of N3pE-42 Aβ and Aβ42 in the subiculum of 5xFAD mouse model of AD, using specific ELISAs and immunofluorescence labeling of Aβ plaque burden and N3pE-42 Aβin vivo. The study suggests a possible novel mechanism of QC which regulates Aβ formation via modulation of γ-secretase activity.