Zinc induces tau hyperphosphorylation through extracellular signal-regulated kinase 1/2 (ERK1/2) pathway

Abstract

[한글]

알쯔하이머병은 치매를 일으키는 가장 흔한 원인으로 알려져 있다. 이 질환의 발생은 노화와 직접적인 관련이 있으며, 인구의 노령화 현상으로 매년 환자수가 증가하고 있는 추세이다. 현재 알쯔하이머 발병의 중요한 원인인자로 세포외의 amyloid와 세포내의 tau 축적이 대표적인 가설로 들 수 있다. 아연은 중추신경계에 glutamate를 포함하는 시냅스전 소포체에 고농도로 농축되어 있으며, 일부는 시냅스후 신경세포로 glutamate와 같이 유리되거나 국소적으로 많은 양이 세포내에 유리되게 되는데, 이때 아연이 세포내의 tau 단백의 응집 원인으로 추정하고 있다. 따라서 본 연구에서는 아연이 시냅스후 신경세포로의 유입이 tau 단백 기능에 어떠한 영향을 주는지를 탐구하였다. 이를 위해 우선 세포모델에서 tau단백을 발현하는 SH-SY5Y세포주를 구축하였으며, 세포내로의 아연의 효과를 보기 위해 아연의 이온투과체 (ionophore)인 pyrrolidine dithiocarbamate (PDTC)를 사용하였다. 세포내로 아연을 처리하였을 때 tau단백의 serine 202번과 214번의 과인산화가 유도되었다. 따라서 아연이 유도하는 tau 과인산화과정이 어떠한 kinase 단백 활성을 통해 일어나는지를 조사하였다. 그 중 아연이 세포내로 유입되었을 때 extracellular signal-regulated kinase 1/2 (ERK1/2)가 증가되는 것을 확인하였으며, 이는 small interference RNA ERK를 처리하였을 때 tau 단백의 과인산화가 억제되는 것으로 보아 아연이 ERK1/2를 매개한다고 알 수 있었다. 또한 MEK 억제제인 U0126을 이용한 실험에서 tau 단백의 과인산화가 ERK의 upstream인 Ras/Raf/MEK 의 일련의 과정을 통해 일어나는 것을 확인하였다. 일련의 실험을 통해 아연이 tau의 과인산화를 유도하였을 때 tau기능에 어떠한 영향을 주는지도 살펴보았다. Tau 기능 중 대표적인 microtubule polymerization은 아연에 의해 과인산화 된 부위를 mutation시켰을 때 정상적인 polymerization이 일어나는 것을 확인하였고, 비 이상적인 tau 단백의 축적도 감소하는 것을 볼 수 있었다. 따라서 이상의 결과들을 종합하여 볼 때 아연이 tau pathology에 중요한 역할을 담당할 것으로 사료된다.

[영문]

The pathologic hallmarks of Alzheimer’s disease (AD) include senile plaque and neurofibrillary tangles (NFTs) which are mainly composed of A and microtubule associated protein, tau, respectively. The tau from NFT is hyperphosphorylated compared to the soluble form tau. Therefore, the factors regulating tau phosphorylation may be crucial to the pathogenesis in AD. Zinc has been implicated as a possible pathogenic agent due to its effect of increasing A precipitation. The purpose of this study was to investigate the effects of zinc on the tau phosphorylation. We constructed the tetracycline-off regulatory system controlling the expression of wild-type tau1-441 in SH-SY5Y cells. In the absence of tetracycline, the level of tau increased and reached its maximum in 5 days in SH-SY5Y cells expressing wild-type tau1-441. To assay the phosphorylation of tau, three kinds of phospho-specific antibodies were used in Western blot including pSer202, pSer214 and pSer396 antibodies which recognize phosphorylation sites that are known to be related to NFT formation. We measured the changes in the level of tau phosphorylation as a ratio of the level of phospho-tau of each phosphorylation site to that of total tau. Zinc increased the phosphorylation of Ser202 and Ser214 in SH-SY5Y cells expressing wild-type tau1-441. Therefore, we investigated possible mechanisms to be involved in these changes of tau phosphorylation by PDTC plus zinc treatment in SH-SY5Y cells expressing wild-tau1-441. We found that zinc did not affect CDK5, GSK3  and PKA activity but increased ERK activity. Reduced levels ERK prepared from siRNA-transfected cells inhibited hyperphosphorylation of tau at Ser214 site. To functionally assay the effect of zinc-induced tau hyperphosphorylation, we produced tau mutants that have mimicked phosphorylation of serine202/214 residues by site-directed mutagenesis to alanine. The Ser202Ala and Ser214Ala-tau exhibited stable microtubule polymerization and decreased insoluble tau aggregation. From these findings, it can be concluded that zinc induces tau hyperphosphorylation through ERK activation pathway, leading to microtubule depolymerization and insoluble tau aggregation.