SUNGKYUNKWAN UNIVERSITY SCHOOL OF MEDICINE
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Research Highlights
EBP1 Potentiates Amyloid β Pathology by Regulating γ-Secretase
Byeong-Seong Kim, Inwoo Hwang, Hyo Rim Ko, Young Kwan Kim, Hee Jin Kim, Sang Won Seo, Yujung Choi, Sungsu Lim, Yun Kyung Kim, Shuke Nie, Keqiang Ye, Jong-Chan Park, Yunjong Lee, Dong-Gyu Jo, Seung Eun Lee, Daesik Kim, Sung-Woo Cho, Jee-Yin Ahn
Nature Aging
< 연구요약 >
알츠하이머병 치료전략 중 하나로 과학자들은 γ-세크리타제(γ-secretase)의 활성을 조절하여 Aβ의 생성을 줄이면서도 다른 기질에는 영향을 미치지 않는 방법을 모색하고 있다. 본 연구는 신경 세포의 생존과 분화 및 발생 등에 다양한 영향을 미치는 ErbB3 결합 단백질 1(EBP1)이 노화 및 알츠하이머성 치매 환자 뇌에서 특이적으로 발현이 감소하는 현상에 주목하여 시작하였다. 야생형 생쥐의 피질/해마 뉴런에서 EBP1을 제거하자 Aβ가 축적되었고, 이로 인해 시냅스가 사라지고 뉴런이 사멸했다. 반대로, 아밀로이드증(amyloidosis) 모델 생쥐에서 EBP1을 과발현시키면 Aβ 생성이 억제되었고, 기억력이 유지되었다(그림 1). 본 연구진은 Ebp1 유전자 결손 마우스의 뇌에서는 이처럼 노화에 따른 점진적인 신경세포 독성과 뇌 위축, 신경염증 반응, 인지 기능 저하 등의 알츠하이머성 치매 표현형을 증가시킴을 확인하였고 이는 사람에게서 나타나는 알츠하이머성 치매의 병리를 포괄한 것이기에 이 마우스모델을 산발성 알츠하이머성 치매 동물 모델로 제안하였다.
본 연구진은 이는 EBP1을 새로운 γ-세크리타제 결합 단백질로 발굴하였고 EBP1이 γ-세크리타제의 활성 소단위인 프레세닐린(presenilin) N-말단과 아밀로이드 전구체 단백질(APP)과 모두 결합하여 프레세닐린은 APP와의 상호작용을 억제하여 APP 절단을 방해했기 때문에 그 결과 Aβ 생성이 억제됨을 규명하였다. 한편으로는 아스파라긴 엔도펩티다제(asparagine endopeptidase)가 EBP1을 절단하게 되면 EBP1이 프레세닐린은 APP 와 결합기능을 상실하게 됨으로써 Aβ 생성이 증가하는 결과를 초래함을 제시하였다 (그림 2).
* 그림 1) EBP1이 결핍된 10개월 된 생쥐의 해마 뉴런(파란색, 왼쪽)은 아밀로이드 베타 플라크(빨간색)에 둘러싸여 있다.. 그러나 AAV2 전달 시스템을 이용하여 EBP1을 다시 발현시키면 (오른쪽) 이러한 아밀로이드 베타 플라크 형성이 저해되었다.
* 그림 2) 정상 뇌(혹은 대조군 야생형 마우스의 뇌)에서는 EBP1이 일정 수준 발현하고 있어, 아밀로이드 전구 단백질이 감마 시크리타제에 의해 절단되지 않도록 그 결합을 저해한다. 그러나, 알츠하이머성 치매 환자의 뇌(혹은 전뇌 특이적 Ebp1 유전자 결손 마우스의 뇌)에서는 EBP1 단백질이 활성화된 아스파라진 엔도펩티다제에 의해 비정상적인 절단이 일어나게 된다. 이 때 생성된 절편은 더이상 감마 시크리타제에 의한 아밀로이드 전구 단백질의 절단을 억제하지 못해서, 신경세포 독성을 유도하여 알츠하이머성 치매 병변을 증가시킴을 확인하였다. 더 나아가 알츠하이머 마우스 모델에 야생형과 절단되지 않는 형태의 EBP1의 과발현을 통해 기능을 복원시켜 주었을 때, 아밀로이드 베타 병변 감소와 인지 기능 개선의 결과를 통해 EBP1 단백질의 신규 치료 타겟 가능성을 검증하였다.
Abstract
The abnormal deposition of amyloid β (Aβ), produced by proteolytic cleavage events of amyloid precursor protein involving the protease γ-secretase and subsequent polymerization into amyloid plaques, plays a key role in the neuropathology of Alzheimer’s disease (AD). Here we show that ErbB3 binding protein 1 (EBP1)/proliferation-associated 2G4 (PA2G4) interacts with presenilin, a catalytic subunit of γ-secretase, inhibiting Aβ production. Mice lacking forebrain Ebp1/Pa2g4 recapitulate the representative phenotypes of late-onset sporadic AD, displaying an age-dependent increase in Aβ deposition, amyloid plaques and cognitive dysfunction. In postmortem brains of patients with AD and 5x-FAD mice, we found that EBP1 is proteolytically cleaved by asparagine endopeptidase at N84 and N204 residues, compromising its inhibitory effect on γ-secretase, increasing Aβ aggregation and neurodegeneration. Accordingly, injection of AAV2-Ebp1 wild-type or an asparagine endopeptidase-uncleavable mutant into the brains of 5x-FAD mice decreased Aβ generation and alleviated the behavioral impairments. Thus, our study suggests that EBP1 acts as an inhibitor of γ-secretase on amyloid precursor protein cleavage and preservation of functional EBP1 could be a therapeutic strategy for AD.
알츠하이머병 치료전략 중 하나로 과학자들은 γ-세크리타제(γ-secretase)의 활성을 조절하여 Aβ의 생성을 줄이면서도 다른 기질에는 영향을 미치지 않는 방법을 모색하고 있다. 본 연구는 신경 세포의 생존과 분화 및 발생 등에 다양한 영향을 미치는 ErbB3 결합 단백질 1(EBP1)이 노화 및 알츠하이머성 치매 환자 뇌에서 특이적으로 발현이 감소하는 현상에 주목하여 시작하였다. 야생형 생쥐의 피질/해마 뉴런에서 EBP1을 제거하자 Aβ가 축적되었고, 이로 인해 시냅스가 사라지고 뉴런이 사멸했다. 반대로, 아밀로이드증(amyloidosis) 모델 생쥐에서 EBP1을 과발현시키면 Aβ 생성이 억제되었고, 기억력이 유지되었다(그림 1). 본 연구진은 Ebp1 유전자 결손 마우스의 뇌에서는 이처럼 노화에 따른 점진적인 신경세포 독성과 뇌 위축, 신경염증 반응, 인지 기능 저하 등의 알츠하이머성 치매 표현형을 증가시킴을 확인하였고 이는 사람에게서 나타나는 알츠하이머성 치매의 병리를 포괄한 것이기에 이 마우스모델을 산발성 알츠하이머성 치매 동물 모델로 제안하였다.
본 연구진은 이는 EBP1을 새로운 γ-세크리타제 결합 단백질로 발굴하였고 EBP1이 γ-세크리타제의 활성 소단위인 프레세닐린(presenilin) N-말단과 아밀로이드 전구체 단백질(APP)과 모두 결합하여 프레세닐린은 APP와의 상호작용을 억제하여 APP 절단을 방해했기 때문에 그 결과 Aβ 생성이 억제됨을 규명하였다. 한편으로는 아스파라긴 엔도펩티다제(asparagine endopeptidase)가 EBP1을 절단하게 되면 EBP1이 프레세닐린은 APP 와 결합기능을 상실하게 됨으로써 Aβ 생성이 증가하는 결과를 초래함을 제시하였다 (그림 2).
* 그림 1) EBP1이 결핍된 10개월 된 생쥐의 해마 뉴런(파란색, 왼쪽)은 아밀로이드 베타 플라크(빨간색)에 둘러싸여 있다.. 그러나 AAV2 전달 시스템을 이용하여 EBP1을 다시 발현시키면 (오른쪽) 이러한 아밀로이드 베타 플라크 형성이 저해되었다.
* 그림 2) 정상 뇌(혹은 대조군 야생형 마우스의 뇌)에서는 EBP1이 일정 수준 발현하고 있어, 아밀로이드 전구 단백질이 감마 시크리타제에 의해 절단되지 않도록 그 결합을 저해한다. 그러나, 알츠하이머성 치매 환자의 뇌(혹은 전뇌 특이적 Ebp1 유전자 결손 마우스의 뇌)에서는 EBP1 단백질이 활성화된 아스파라진 엔도펩티다제에 의해 비정상적인 절단이 일어나게 된다. 이 때 생성된 절편은 더이상 감마 시크리타제에 의한 아밀로이드 전구 단백질의 절단을 억제하지 못해서, 신경세포 독성을 유도하여 알츠하이머성 치매 병변을 증가시킴을 확인하였다. 더 나아가 알츠하이머 마우스 모델에 야생형과 절단되지 않는 형태의 EBP1의 과발현을 통해 기능을 복원시켜 주었을 때, 아밀로이드 베타 병변 감소와 인지 기능 개선의 결과를 통해 EBP1 단백질의 신규 치료 타겟 가능성을 검증하였다.
Abstract
The abnormal deposition of amyloid β (Aβ), produced by proteolytic cleavage events of amyloid precursor protein involving the protease γ-secretase and subsequent polymerization into amyloid plaques, plays a key role in the neuropathology of Alzheimer’s disease (AD). Here we show that ErbB3 binding protein 1 (EBP1)/proliferation-associated 2G4 (PA2G4) interacts with presenilin, a catalytic subunit of γ-secretase, inhibiting Aβ production. Mice lacking forebrain Ebp1/Pa2g4 recapitulate the representative phenotypes of late-onset sporadic AD, displaying an age-dependent increase in Aβ deposition, amyloid plaques and cognitive dysfunction. In postmortem brains of patients with AD and 5x-FAD mice, we found that EBP1 is proteolytically cleaved by asparagine endopeptidase at N84 and N204 residues, compromising its inhibitory effect on γ-secretase, increasing Aβ aggregation and neurodegeneration. Accordingly, injection of AAV2-Ebp1 wild-type or an asparagine endopeptidase-uncleavable mutant into the brains of 5x-FAD mice decreased Aβ generation and alleviated the behavioral impairments. Thus, our study suggests that EBP1 acts as an inhibitor of γ-secretase on amyloid precursor protein cleavage and preservation of functional EBP1 could be a therapeutic strategy for AD.