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美国国家科学院院刊。2000年3月14日;97(6): 2910–2915.
2000年3月7日在线发布。 数字对象标识:10.1073/pnas.040577797
预防性维修识别码:PMC16029型
PMID:10706614

高磷酸化tau、神经丝和细胞骨架小鼠过度表达cdk5激活物人p25的干扰

摘要

微管相关蛋白如tau的过度磷酸化神经丝可能是细胞骨架异常和神经退行性疾病中的神经元死亡阿尔茨海默病。微管相关的一种潜在机制蛋白质过度磷酸化是蛋白激酶活性的增强已知与微管如cdk5或GSK3β结合。在这里,我们表明tau和神经丝在转基因中过度磷酸化过表达人p25(cdk5的激活剂)的小鼠。第25页转基因小鼠使用Bielschowsky显示银阳性神经元污渍。神经元细胞骨架组织受到明显干扰在超微结构水平。这些变化主要是局部的杏仁核、丘脑/下丘脑和皮层。第25页转基因小鼠表现出增强的自发运动活性和在高架加码测试中与对照组的差异。这个cdk5激活物在转基因小鼠中的过度表达导致增加的cdk5活性足以产生tau和神经丝以及细胞骨架的过度磷酸化让人想起阿尔茨海默病和其他神经退行性疾病。

阿尔茨海默病(AD)是一种进行性神经退行性疾病,特征是认知功能。AD和其他神经变性疾病,如皮克氏病神经纤维缠结(NFT)。NFT由超磷酸化的微管结合蛋白tau(综述参考文献。1).

尽管许多蛋白激酶在AD相关表位磷酸化tau在体外(参考文献中审查。2),只有两个被净化了微管、GSK3β和cdk5(,4). 据我们所知,只有这两种激酶将在细胞环境中磷酸化tau(例如,参考文献。56). 我们选择关注cdk5,因为它是活跃的主要在神经元中,而GSK3β在能量中起作用在所有细胞中都是活跃的。cdk5是细胞周期素依赖性蛋白激酶基因家族。cdk5不是细胞周期蛋白与阳性变构调节因子p35相关(7),p35的氨基末端蛋白水解片段(例如,p25;参考。8)、和第39页(9). 这些蛋白质的氨基酸序列与细胞周期蛋白,但p25/35激活cdk5的机制可能是类似于细胞周期蛋白A对cdk2的激活(10). 第25/35页是主要在神经元中表达,这意味着大多数cdk5活性集中于神经元结构(7,8). cdk5起着关键作用异常的皮质酮生成和cdk5基因敲除小鼠的围产期死亡(11)以及p35基因敲除小鼠的神经元迁移和早期死亡(12). 一个数字已经确定了个潜在的cdk5基底,其中大多数是与神经突起生长和血浆中的假定作用一致膜动力学。这些包括细胞骨架蛋白,如tau和神经丝(例如,参考文献。1314)和突触囊泡蛋白(15,16). 阐明cdk5在神经退行性变中的潜在作用疾病体内,我们在大脑中过度表达人类p25以确定增加的cdk5活性是否会导致tau和神经丝过度磷酸化和/或细胞骨架紊乱。

材料和方法

动物处理。

所有实验都是根据辉瑞机构动物护理和使用委员会。

p25转基因小鼠的生产。

人类p25片段是通过PCR扩增从全长人类p35克隆(辉瑞公司David Auperin)。要生成框架内p25片段,带有不是I限制位点末端和起始甲硫氨酸密码子ATG在p35氨基酸残基99处丙氨酸的GCC开始。第25页不是将I片段克隆到质粒pSP72中(Promega)具有SV40多聚腺苷化信号序列。老鼠神经元特异性烯醇化酶(NSE)启动子(来自J.G。Scripps诊所研究所的Sutcliffe)p25人cDNA和SV40 poly(A)序列的钝端连接5′在pSP72主干中。最终纯化3.2-kb NSE-p25转基因用于Elutip柱中的微量注射(Schleicher&Schuell)。这个通过原核微注射生产转基因创始人通过使用完善的程序实现(17). 前核阶段胚胎以≈3.0 ng/ml的速度微量注射NSE-p25转基因在10 mM Tris中,pH 7.4/0.1 mM EDTA。显微注射胚胎转移给假孕CD-1雌性以继续发育术语。断奶时,通过以下方法从尾部组织中分离基因组DNA苯酚和氯仿萃取。已确定创始人转基因通过PCR特异性扩增人类p25的DNA序列cDNA。Founder小鼠被培育成FVB/N配偶,转基因阳性后代被用来维持单个转基因株系。

生物化学。

取下4个月大的小鼠的大脑并将其冷冻在液体中氮气。脑裂解物的制备,蛋白质印迹(20μg蛋白质每车道)和免疫沉淀/磷酸化实验如前所述进行(150–800μg蛋白质)(18).cdk5和p35抗体来自Santa Cruz Biotechnology和分别由L.H.Tsai(哈佛大学)提供。

对于免疫印迹,snap冷冻的大脑被解冻,杏仁核被解冻取下并在含有250 mM的0.5 ml裂解缓冲液中均质NaCl、50 mM Tris、5 mM EDTA、0.1%NP-40、蛋白酶抑制剂混合物(Boehringer Mannheim)和1μM冈田酸(钙生物化学)。这个样品在12500×.5微克上清液(裂解液,L)和25μL溶解液分离微丸(P)并转移至ProBlott膜纸(应用生物系统)(19). 用AT8探测斑点(1:400)、陶-1(1:10000)、PHF-13(1:10000”)、陶-5(1:200)、SMI-31和SMI-33(1:1000)。蛋白质条带通过使用ECL试剂(Amersham Pharmacia)。

免疫细胞化学、组织学和电子显微镜。

如前所述,准备脑组织进行免疫组织化学分析参考文献。20对于AT8和PHF13,在初级抗体中4°C,通过使用进行处理和可视化辣根过氧化物酶/二氨基联苯胺(DAB),根据试剂盒制造商(Vector Laboratories)。

对于AT8/胶质纤维酸性蛋白(GFAP)双重标记,大脑是灌流的就地10%中性缓冲福尔马林。修剪后的组织脱水分级醇和石蜡包埋。第一部分(6μm)用GFAP(Dako)标记,用DAB(Dako)可视化,标记使用AT8(Innogenetics,Zwijnkrecht,Belgium),并使用可视化矢量VIP(矢量实验室)。

对于银染和SMI 34免疫组化,大脑装有香水的就地含10%中性缓冲福尔马林或4%多聚甲醛。修剪后的组织脱水并嵌入如上所述,切片(6μm)用改性贝尔肖夫斯基染色(21,22).

如上所述对单独的小鼠进行透射电子灌注显微镜。脑切片放置在2.5%戊二醛/2%中0.1 M NaPO中的多聚甲醛4隔夜缓冲,在道尔顿的锇中固定(23),并嵌入Spurr’s树脂。使用日立公司对格栅进行染色和检查7100项目。

抗体。

使用的抗体如下:AT-8、Tau磷酸化-Ser 202和Thr 205(24)(先天性);PHF-13、Tau磷酸化-Ser 396和Thr404 (25)(宾夕法尼亚大学V.Lee赠送);SMI-34、31和33,磷酸化(SMI-31,33)和总(SMI-34)重神经丝(26)(Sternberger–Meyer,Jarrettsville,MD);Tau-1,Tau去磷酸-Ser202和Thr 205(27)(博林格·曼海姆);陶-5,总陶(28)(NeoMarkers,加利福尼亚州弗里蒙特);和抗GFAP,GFAP与星形细胞起源(29)(达科)。

行为方法。

每周观察小鼠的神经功能缺损(30)清楚地有机玻璃露地(高45.7厘米2× 17.8cm),其中地板被划分为九个正方形(15.2厘米2). 运动活性(LMA)测量如下5分钟内的方形交叉次数光电池室(21厘米)上升60分钟plus-maze测试在灰色Plexiglas迷宫中进行,双臂打开和两个闭合臂(每个8厘米宽×17厘米长,带墙高度为14.5-cm),高度为36cm迷宫的中心,进入迷宫的时间和次数测量了手臂。ANOVA之后是Newman–Keuls和Dunnett的t吨测试用于分析所有行为数据测试。

结果

生化特征。

人p25 cDNA在转基因小鼠中表达神经元特异性烯醇化酶启动子(31)(图。(图11A类). 脑裂解物的制备来自杏仁核、丘脑/下丘脑、大脑皮层和对p25转基因小鼠和野生型小鼠的小脑进行比较免疫印迹法检测p25蛋白表达(图。(图11B类).与在啮齿动物中进行的其他实验一致(例如,参考。7),野生型动物中未检测到组成性p25。相反,转基因动物表现出强大的p25表达。无改动p35的表达水平(图。(图11B类)或cdk5(图。(图11C)很明显。然而,相对于本构关系p35,p25在小脑中的表达显著降低与其他地区相比(图。(图11B类; 比率p35:p25在杏仁核中的表达,通过图像分析定量,丘脑/下丘脑、皮层和小脑为1.1±0.1,1.0±0.1、1.2±0.1和2.3±0.3,平均值±SEM.分别;n个≥ 3). 要确定p25表达增加导致cdk5活性、免疫沉淀/磷酸化实验已执行。如图所示。图11D类,程度免疫沉淀后cdk5介导的组蛋白磷酸化识别cdk5的抗体在除小脑外的所有区域。使用识别p25/35的抗体(数据未显示)。

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(A类)NSE-p25转基因。人类的表达式构造在大鼠NSE启动子控制下的p25 cDNA序列。(B类)p25在转基因小鼠中的表达。蛋白质斑点野生型(泳道1-4)和转基因(泳道5-8)脑裂解物来自杏仁核(1和5道)、丘脑/下丘脑(2道和6) 大脑皮层(第3和第7通道)和小脑(第4和第8通道)使用同时识别p35和p25的抗体。(C)cdk5在转基因小鼠中的表达。野生型免疫印迹(车道1–4)和转基因(5–8道)杏仁核脑裂解物(通道1和5)、丘脑/下丘脑(通道2和6)、大脑使用识别cdk5的抗体。(D类)增加cdk5转基因小鼠的活性。野生型cdk5/p25/p35复合物(■)和转基因(○)杏仁核,丘脑/下丘脑、大脑皮层和小脑用识别cdk5的抗体进行免疫沉淀,然后进行评估通过与[32P] ATP和组蛋白。这个轴表示总cpm并入组蛋白减去一个空白(无一级抗体),用于三个各组小鼠(平均值±SEM)。获得了类似的结果用于识别p35/p25的抗体(未显示)。

组织学特征。

比较4个月龄转基因小鼠和野生型小鼠的大脑tau和神经丝磷酸表位的存在免疫组织化学。AT-8和PHF-13,识别磷酸化的Ser-202、Thr-205和Ser-396、Ser-404,转基因动物杏仁核中的标记神经元野生型动物(图。(图22 A类D类). 丘脑/下丘脑和外囊附近的大脑皮层也有标记,但转基因动物的小脑及其相应区域野生型动物没有(未显示)。AT8染色受到限制因为双标记实验导致神经元形态的细胞使用GFAP和AT8显示出不重叠的分布模式(图。(图3)。). 类似于AT8和PHF13,一种识别磷酸化神经丝H(SMI34)的免疫染色增强转基因小鼠的这三个脑区(杏仁核染色如图所示。图22 E类F类). 免疫染色识别tau(Anti-tau;BioMakor,Rehovot,以色列)或独立于磷酸化状态的神经丝(SMI-33)野生型与转基因的染色(数据未显示)。

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p25转基因与野生型的异常磷酸化表位大脑。p25转基因动物的脑切片(A类,C,以及E类)同时进行免疫染色具有来自野生型动物的相应区域(B类,D类,以及F类). AT8的免疫染色转基因(A类)和野生型(B类)扁桃形结构。这个区域的许多细胞有着浓密的染色细胞体具有明确的免疫阳性轴突和轴突丘(箭头所示)。插入显示这些细胞的放大倍数增加来自不同的转基因动物。其他免疫阳性结构染色较浅,边界分散(箭头)。转基因PHF13的免疫染色(C)和野生型(D类)显示杏仁核。本品的背景染色转基因脑切片中的抗体通常较高表示神经膜中的免疫反应更强。免疫染色转基因中SMI34位于外囊附近的皮层(E类)和野生型(F类)还显示了老鼠。注意SMI34对外膜轴突(ec)的组成型染色在转基因和野生型切片中。这种染色模式是15只4个月大的转基因小鼠中有14只出现,6只从未出现同年龄的野生型小鼠。(巴=50μ。)

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AT8和GFAP免疫染色的比较。杏仁核切片转基因(A类)和野生型小鼠(B类)用AT8(蓝色)和抗GFAP抗体(棕色)进行免疫染色。注意GFAP和AT8染色在转基因切片(A类)AT8染色缺乏野生型剖面(B类). (巴=100μ。)

基于银的染色方法已被用于鉴定病理AD中含有改变tau蛋白的神经元的变化(例如,图。图44A类). 在p25转基因小鼠中,与外囊相邻的大脑皮层中的神经元(图。(图44 B类C)丘脑/下丘脑和杏仁核(未显示)显示阳性标记使用贝尔肖夫斯基银染色。脊髓轴突也AT8、PHF13、SMI34和Bielschowsky染色呈阳性(未显示)。在杏仁核中,4.7%的神经元体细胞被评估为嗜银性通过细胞计数。这种染色在野生型动物中不存在(图。(图4)。4).

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p25转基因脑的嗜银结构。来自的节阿尔茨海默病大脑皮层(A类)与相比p25转基因皮层切片(B类)和野生型皮层(C)使用改性后的贝尔肖夫斯基方法。与野生型不同,p25转基因大脑含有嗜银细胞体和轴突。可以看到这种染色模式在15只4个月大的转基因小鼠中,有14只在15只野生型小鼠中未见年龄相同。(巴=50μ。)

在超微结构上,杏仁核中观察到轴突肿胀(图。(图55 A类B类)和3至6个月龄p25转基因小鼠的脊髓(未显示)。受累的轴浆细胞充满了大量异常聚集的细胞线粒体和溶酶体以及细胞骨架成分杂乱无章。年龄匹配的野生型小鼠没有这些变化(图。(图55 CD类).

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p25转基因和野生型杏仁核的电镜观察大脑。转基因小鼠杏仁核内的轴突明显膨胀的(A类). 比较异常扩张的轴突(箭头)有正常大小的轴突(箭头)。线粒体(M)和溶酶体(五十) 异常地聚集在一起,分散在细胞骨架成分紊乱(B类, *).在年龄匹配的野生型小鼠中,来自同一位置的轴突是正常的(CD类). 观察到轴突变化6只转基因小鼠中5只的超微结构在五只年龄匹配的野生型小鼠中没有观察到。[条形图=4 μ (A类C)或500纳米(B类D类).]

Tau和神经丝免疫印迹。

为了确定p25的过度表达是否改变了用抗体进行tau和神经丝、免疫印迹识别不依赖磷酸化的tau和神经丝州(分别为Tau-5和SMI-33)。两者无差异观察转基因和野生型小鼠(图。(图6)。6). 此外,在磷酸化和去磷酸化Ser-202,Thr-205-tau的量(用AT8和Tau-1)和磷酸化神经丝(用观察到SMI-31)(图。(图6)。6). 使用的所有抗体浓度在免疫印迹实验中,比在免疫组织化学实验,只鉴定了迁移分子量与τ(60–66 kDa)一致或神经丝(约200 kDa)(数据未显示)。

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tau和神经丝的免疫印迹。含有免疫印迹的组织来自野生型杏仁核的裂解物(L)和颗粒(P)用特异性抗体检测(WT)和p25转基因(P)小鼠对于tau(tau-1)的磷酸化-(AT8)和去磷酸化-Tr-202、Ser-205,磷酸化tau Ser-396(PHF-13)、总tau(tau-5)、磷酸化神经丝(SMI-31)和总神经丝(SMI-33)。没有任何差异检测转基因小鼠和野生型小鼠之间的这些表位。

p25转基因小鼠的神经行为评估。

4-9周龄时,在转基因小鼠[96.7%和100%雄性(n个=30)和雌性小鼠(n个分别=16)]。此外,转基因小鼠在5-7岁开始表现出开放场LMA增加16周龄时达到野生型的2倍(图。(图77A类).

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(A类)p25转基因小鼠的运动能力增强在开放领域的活动。p25转基因小鼠表现显著在空旷的场地上,广场交叉口比野生型的同窝伙伴多(*,P(P)< .05; **,P(P)< .01). 雌性(未显示数据)也表现出同样的情况效果从5周龄开始。符号旁边的数字表示每个时间点测试的动物数量。(B类)第25页转基因小鼠在高架桥开放臂上的时间增加加上迷宫。p25转基因小鼠表现出明显更长的时间在高架迷宫的张开双臂上,与野生型室友相比(*,P(P)< .05; **,P(P)< .01). 条形图中的数字表示数字每组动物的数量。

随后的行为实验基于免疫组织化学结果。例如,对大鼠杏仁核的损伤会导致自发运动活动增加和“抗焦虑”效果(例如参考文献。3233). 因此,9至12周龄的小鼠在高架迷宫中进一步测试运动变化评估焦虑环境中的行为。一致在野外试验中,转基因小鼠表现出显著的自动活动室中的运动活动增加(不是如图所示)。在升高的plus-maze试验中,雄性和雌性转基因小鼠在张开双臂上的时间明显多于野生型小鼠迷宫(图。(图77B类). 手臂数量无差异观察到条目。

讨论

p25转基因小鼠显示tau和神经丝免疫染色。这些结果与在体外和全细胞数据表明tau和神经丝是cdk5/p25的真正底物。然而,我们不能排除p25过度表达导致通过独立于与cdk5的结合或cdk5调节蛋白质的活性负责观察结果的激酶或磷酸酶。此外,我们用来检测磷酸化神经丝SMI34的抗体,据报道与磷酸化tau发生交叉反应(例如,参考文献。34).然而,SMI34的稀释对磷-金的可视化是必要的(1:300;参考。35)比当前使用的低100倍实验(1:30000)并使SMI34识别磷-金这些实验不太可能。

磷-金定位受限的原因,转基因动物的磷神经丝和银染色尚不清楚,但可能与cdk5的2倍增加有关这些地区的活动。与这些结果一致,没有增加cdk5活性或组织病理学改变在小脑。p25和p35表达的比率在小脑相对于受累区域,增加了产生cdk5增加所需的p25表达水平该地区没有开展活动。因此,尽管我们不能排除阳性区域神经元的可能性对p25表达增加的后遗症更敏感结果与cdk5增加的结论一致p25的活性,而不仅仅是过度表达,是导致观察到的表型。

转基因中银染阳性神经元的比例小鼠相对较低,接近5%,这可能解释了转基因小鼠和野生型小鼠在磷酸-金和磷酸-神经丝免疫印迹实验。然而,根据阳性免疫染色免疫阳性细胞中的磷酸-金表位和磷酸-神经丝表位神经元可能相对较高。

过度磷酸化tau阳性细胞的形态神经丝从外观健康的神经元到细胞核和细胞质浓缩,很少残留轴突或树突过程。未检测到胶质细胞染色。高磷酸化tau和神经丝染色最集中于胞体、树突、树突,阳性神经元的轴突丘。这一发现与在体外数据表明微管相关蛋白降低了它们对微管的亲和力导致微管失稳和重新分布轴突到其他细胞隔室(36,37). 以下人员的在场这些细胞部位的过度磷酸化tau和神经丝是与神经退行性疾病相关。此外,大脑区域过度磷酸化tau和神经丝阳性染色改良Bielschowsky银染色也呈阳性。积极的小鼠躯体软骨区细胞骨架元素的标记这种染色的神经元通常被解释为表示神经元功能障碍或退化最终导致细胞死亡(21,22).布拉克等。(38),使用AT8、银染色和Alz50识别tau构象的抗体神经退行性疾病(39)描述了一系列细胞骨架与神经纤维缠结形成有关的变化。尽管我们没有使用Alz50,即AT8和银染色的组合转基因小鼠与所描述的AD的“前角”(第1组)阶段。

免疫组化显示细胞骨架破坏超微结构研究证实了实验结果。最多重要的发现包括轴突肿胀,不寻常的溶酶体和线粒体,以及细胞骨架紊乱,特征这与功能性微管网络的缺失是一致的。因此,我们提出p25介导的cdk5活性增加导致tau和神经丝的过度磷酸化,进而促进微管网络失稳和破坏细胞骨架。细胞骨架异常超微结构水平、阳性银染色和超磷酸化tau和tau的亚细胞定位神经丝提示受影响区域的神经元大量细胞骨架应激,其功能可能是妥协的。

类似于杏仁核损伤的动物(32),第25页转基因小鼠的LMA显著增加。因为之前报告显示杏仁核受损的动物表现出在各种实验条件下减少恐惧和焦虑(例如,参考。33),p25转基因小鼠在plus-maze任务来调查这种可能性。转基因小鼠增加迷宫张开臂的时间,与减少的时间一致焦虑(40). 手臂进入的次数没有不同,这表明结果可能不是由于观察到的LMA增加。虽然我们不能排除观察到的行为变化会发生杏仁核功能改变以外的机制这两个独立的行为指标与杏仁核功能受损。

探索病理后果的其他研究结果tau磷酸化是对本研究的补充。对于例如,最长的(41)或最短(42)人tau在转基因小鼠中的形态导致体骨病τ的定位。年τ定位变化的原因这些小鼠尚不清楚,但可能是由于微管结合位点。钙调神经磷酸酶Aα基因敲除小鼠展示Ser-396/404处tau磷酸化增加(43),和在转基因中过度表达GSK3β的动物(44)或Mos激酶(45),增加了观察到磷酸化tau或神经丝。慢性输注磷酸酶抑制剂冈田酸也导致tau增加磷酸化(46). 这些研究提供了宝贵的信息关于tau或tau激酶的潜在病理生理作用与当前工作一致的过度表达。然而p25转基因小鼠展示了一种新的免疫细胞化学、组织病理学、超微结构和行为学有证据表明cdk5活性增强可能在神经退行性疾病的病理生理学。

总之,本研究表明小鼠脑内cdk5激活物p25导致过度磷酸化tau和神经丝、阳性银染色和细胞骨架类似于几种神经退行性疾病的障碍包括AD。与在受累区域也观察到神经功能受损。p25转基因小鼠将有助于研究cdk5活性增强与tau和神经丝过度磷酸化以及帮助开发治疗性分子减缓AD和其他神经退行性疾病的进展。

致谢

我们感谢的B.Appel、G.Boucher、K.Steever和J.Wolfgang病理学系;D.Auperin、M.Boucher和V.Guanowsky中枢神经系统发现部;J.遗传部股票技术;以及教育部的E.Glynn、P.McGill和B.Yanak辉瑞中央研究院比较医学与生物学专家协助。此外,我们感谢斯克里普斯大鼠NSE启动子研究所,Li-Huei Tsai博士(哈佛)提供抗p35抗体,弗吉尼亚·李博士(弗吉尼亚大学宾夕法尼亚州)提供PHF13抗体。

缩写

AD公司阿尔茨海默病
GFAP公司胶质纤维酸性蛋白质
线性矩阵分析运动活性
NSE公司神经元特异性烯醇化酶

脚注

印刷前在网上发表的文章:Proc。国家。阿卡德。科学。美国,10.1073/pnas.040577797。

文章和发表日期为www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.040577797

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文章来自美国国家科学院院刊由以下人员提供美国国家科学院