Unveiling the beneficial effect of ApoE Christchurch variant against ApoE4-induced Alzheimer’s Disease using human iPSC derived neurons

Abstract

PSEN1 유전자에 E280A 돌연변이를 보유하고 있음에도 불구하고 70세까지 인지능력 저하가 나타나지 않은 사례가 보고되었다. 보고 된 논문에서APOE3유전자에 동형 접합체로 존재하는 Christchurch 변이를 밝혔으며, 해당 변이가 타우 병리학에 보호적인 기전으로 작용한다고 보고하였다. 비록 해당 보고가 가족력 알츠하이머 사례에서 타우 병리학과 인지기능 관련하여 Christchurch 변이의 보호적인 기전을 강력하게 주장하고 있지만, 알츠하이머 종류의 95% 이상을 차지하는 만발성 알츠하이머에서 또한 보호적인 기전이 재현되는지 연구가 필요하다. 더불어, Christchurch 변이의 보호적인 기전의 메커니즘 분석이 다뤄져야 한다. 해당 부분을 다루기위해, 인간 유도만능줄기세포를 이용하여 3가지의 동질 유전자 세포주를 사용하였다. 이는 각 APOE3, APOE4, 또는 APOE4ch 유전자형을 가지고 있으며 흥분성 신경세포로 분화되었다. 나는 APOE3, APOE4, 그리고 APOE4ch 흥분성 신경세포에서 외부에 존재하는 타우 단백질이 유입되는 양의 차이가 없음을 관찰했다. 하지만, 유입 이후 타우 단백질의 위치가 다르게 나타났다. APOE3 그리고 APOE4ch 흥분성 신경세포와 비교했을 때, APOE4 흥분성 신경세포에서는 초기 엔도솜과 재생 엔도솜에서 유입된 타우 단백질이 많이 관찰되었다. 더불어 APOE4 신경세포의 재생엔도솜에서는 많은 양의 누출이 관찰되었고, 이것은 재생 엔도솜에 존재하는 유입 된 타우 단백질이 세포질로 내뿜어질 수 있을 가능성을 제시했다. APOE4 흥분성 신경세포에 Christchurch 변이가 있는 경우, 타우 단백질이 재생 엔도솜에 존재하는 것이 감소하였고, 후기 엔도좀에 많은양의 유입된 타우가 존재하는 것을 관찰했다. 그리고 이는 리소좀 의존 자가포식 단백질 분해가 증가했을 가능성을 제시하였다. 재생 엔도솜에서의 누수 또한 Christchurch 변이로 인해 회복되었다. 타우 단백질 유입 이후, APOE4 흥분성 신경세포와 비교하여 APOE4ch 흥분성 신경세포에서 리소좀 의존 자가포식 타우 단백질 분해가 증가하고 타우 병리학이 개선된 것을 관찰하였다. APOE4ch 흥분성 신경세포에서Thr181 그리고 Ser202/Thr205가 인산화 된 타우 단백질이 APOE4신경세포와 비교해 보았을 때, 타우 유입 이후 증가하지 않는다는 것을 관찰했다. 이 결과는 Christchurch 변이가 있을 때, 초기 단계의 타우 인산화가 완화되고, 이는 Christchurch 변이가 초기 단계의 타우 병리학에 보호적인 역할을 함을 제시했다. 요약하자면, 나는 Christchurch 변이가 APOE4 신경세포에서 망가져 있는 리소좀 의존 자가포식 단백질 분해 능력을 회복시키고, 초기 단계의 타우 인산화를 완화시킨다는 결과를 얻었다. 이 연구는 APOE4로 유발되는 알츠하이머 질병에Christchurch 변이가 보호적인 역할을 하는 실마리를 제시하며, 타우 병리학에 대항하는 Christchurch변이의 보호적 메커니즘을 제안한다.

An individual who did not display cognitive impairment until 70 despite carrying the E280A mutation in the PSEN1 gene is reported. The study identified a homozygote variant in the APOE3 gene (R136S, named the Christchurch variant) as a protective genetic factor against AD pathology. Although this case report strongly suggests the protective effect of the Christchurch variant on tau pathology and cognitive impairment in familial AD, it has to be evaluated whether the variant is also effective in late-onset AD, which accounts for more than 95% of AD forms. It is of great interest to determine the protective function of a variant against APOE4-associated AD that is a strong genetic risk factor for late-onset AD. Furthermore, the underlying mechanisms of its protective function should be investigated. To address these points, I used isogenic human-induced pluripotent stem cells (hiPSCs) that consist of either APOE3, APOE4, or APOE4+Christchurch variant (APOE4ch) and differentiated these hiPSCs to excitatory neurons. I compared the internalization activity of extracellular tau protein between isogenic neurons and found no differences. However, the location of tau protein after internalization was different between genotypes. Most of the internalized tau protein was in the early endosomes and recycling endosomes in APOE4 neurons compared to other genotypes. And I discovered a lot of leakage in the recycling endosomes that could facilitate the cytosol escape of tau in APOE4 neurons. It seems that the Christchurch variant attenuates tau translocation toward recycling endosomes and facilitates its movement to the late endosome suggesting a potential increase in lysosomal-dependent autophagic protein degradation. The leakage of recycling endosomes was also restored by the Christchurch variant. After tau proteins internalization, the lysosomal-dependent autophagic degradation was increased and the tau pathology was ameliorated in APOE4ch neurons compared to APOE4 neurons. The phosphorylated tau, especially p-TAU(Thr181) and p-TAU(Ser202/Thr205) was not increased in APOE4ch neurons after tau internalization compared to APOE4 neurons. That suggests the early stage of tau phosphorylation was ameliorated by the Christchurch variant, and the variant has a more protective effect in the early phase of tau pathology. To summarize, I discovered that the Christchurch variant restores the impaired autophagy activity in APOE4 neurons and ameliorates the early stage of tau phosphorylation. Taken together, this investigation provides evidence of protective roles for the Christchurch variant in APOE4-associated AD and insight into the mechanisms of its resistance against tau pathology.