Biomarker-related phospho-tau217 appears in synapses around Aβ plaques prior to tau tangle in cerebral cortex of preclinical Alzheimer's disease

기존 상식: 혈액/CSF에서 p-tau217 수치가 올라가면 뇌에 Aβ가 쌓이고 있다는 뜻이라는 건 알려져 있었다. 뇌 조직에서도 NFT, pretangle, granulovacuolar degeneration body 등 이미 병리가 진행된 구조물에서 p-tau217이 검출된 적은 있었다. 하지만 preclinical AD 뇌에서 Aβ plaque 주변에 p-tau217이 NFT와 독립적으로 나타나는지를 체계적으로 확인한 연구는 없었다.

이 Figure가 보여주는 것: p-tau217은 정상 뇌에는 전혀 없고, Aβ plaque가 생기는 순간부터 그 주변에 puncta 형태로 나타난다. 중요한 건 이 시점에 NFT는 아직 없다는 것이다. 즉, p-tau217은 tau tangle의 부산물이 아니라, Aβ plaque에 대한 독립적인 초기 반응이다. 다만 이 puncta가 정확히 어떤 구조물 안에 있는지 — axon인지 synapse인지 — 는 Figure 1만으로는 알 수 없으며, Figure 3-4에서 synapse marker 공염색을 통해 규명된다.

Amyloid PET 양성이지만 tau PET 음성인 환자에서 혈장 p-tau217이 올라가는 이유의 첫 단서를 제공한다. tau PET이 잡는 NFT와는 독립적으로, plaque 주변에서 별개의 p-tau217 생성이 일어나고 있기 때문이다.

Tau 단백질(441개 아미노산)에는 인산화될 수 있는 부위가 수십 개 있다. 각 부위의 번호가 곧 바이오마커 이름이 된다. 이 논문에서 다루는 주요 p-tau 종은 다음과 같다:

p-tau181 — 정상 뇌의 myelinated axon에도 존재하는 유일한 생리적 인산화. CSF 바이오마커로 오래 사용됐으나, 정상에서도 기저 수준이 있어 특이도가 상대적으로 낮다. 이 논문에서는 축삭 손상의 지표로 해석.

p-tau202/205 — 정상 뇌에 없음. NFT와 pretangle의 대표 마커. "tau 병리 = AT8 양성"이라고 할 정도로 널리 쓰임.

p-tau217 — 정상 뇌에 없음. 이 논문의 주인공. preclinical AD에서 가장 민감한 혈액 바이오마커. Aβ plaque 주변 시냅스에서 능동적으로 생성.

p-tau231 — 정상 뇌에 없음. 역시 혈액/CSF 바이오마커. p-tau217과 Aβ plaque 주변에서 ~80-92% 공존.

Aβ plaque는 시간에 따라 성숙한다. 초기에는 Aβ 펩타이드가 느슨하게 퍼진 diffuse plaque로 시작하여, 응집이 진행되면 조밀한 아밀로이드 코어를 가진 dense-core plaque가 되고, 최종적으로 주변에 손상된 신경돌기와 활성화된 글리아가 모여드는 neuritic plaque로 발전한다.

Thioflavin-S(ThS)는 β-sheet 구조에 결합하여 형광을 내는 염색 시약이다. Dense-core 이상의 성숙 plaque는 β-sheet 구조를 갖추므로 ThS 양성이 되고, diffuse plaque는 ThS 음성일 수 있다. 이 섹션의 실험에서는 ThS 양성 Aβ plaque(= 성숙한 plaque) 주변에서 p-tau217과 다른 p-tau 종의 공존을 분석하였다.

Figure 1에서 남은 질문: p-tau217이 Aβ plaque 주변에 나타난다는 걸 봤다. 그런데 tau에는 인산화 부위가 수십 개 있다. p-tau217만 나타나는 건가, 아니면 다른 부위도 동시에 인산화되는 건가?

이 Figure가 보여주는 것: Aβ plaque 주변에서 p-tau217은 혼자가 아니다. AT8(p-tau202/205)과 ~70-85%, p-tau231과 ~80-92% 겹친다. 즉, Aβ plaque 주변에서 tau의 여러 부위가 동시에 인산화되고 있다. 이건 단순한 우연이 아니라 체계적인 반응이다.

혈액/CSF에서 p-tau217, p-tau181, p-tau231 수치가 각각 측정되는데, 이들이 뇌 조직에서 같은 곳(Aβ plaque 주변)에서 함께 생성된다는 뜻이다. 여러 p-tau 바이오마커가 동반 상승하는 이유를 조직 수준에서 설명해준다.

Figure 1 — anti-Aβ 항체 사용

목적은 Aβ plaque가 있든 없든, 어떤 형태든 모두 잡아서 p-tau217과의 공간적 관계를 보는 것이다. anti-Aβ 항체는 Aβ 펩타이드 자체에 결합하므로 diffuse든 dense-core든 모든 단계의 plaque를 검출할 수 있다. 채널 구성도 p-tau217(녹색) + Aβ 항체(마젠타) = 2채널이면 충분하다.

Figure 2 — ThS 사용

목적은 p-tau217, AT8, p-tau231 등 여러 p-tau 항체를 동시에 염색하면서 Aβ plaque도 표시하는 것이다. 형광 현미경의 채널 수에는 한계가 있고, 항체는 각각 1채널을 차지한다. p-tau217 + AT8 + anti-Aβ로 항체 3개를 쓰면 채널이 부족해진다. ThS는 항체가 아니라 화학 염색 시약이므로 항체 채널을 차지하지 않는다. 따라서 p-tau217(녹색) + AT8(마젠타) + ThS(시안) 이렇게 3채널을 효율적으로 사용할 수 있다.

즉, 채널 확보를 위한 실험 설계상의 선택이다. ThS를 쓰면 diffuse plaque는 놓칠 수 있지만, Figure 2의 관심사는 "성숙 plaque 주변에서 여러 p-tau가 공존하는가"이므로 ThS로 충분하다.

이 섹션에서는 p-tau217이 시냅스의 어느 쪽에 있는지, 글리아 세포가 이를 engulf — 세포가 대상을 통째로 감싸 삼키는 것 — 하는지를 분석한다. 관련 용어를 정리하면:

Pre-synapse — neurotransmitter vesicle이 있는 axon terminal. 마커: SYP(synaptophysin). 흥분성은 VGLUT1, 억제성은 VGAT으로 구분.

Post-synapse — receptor와 scaffolding protein이 있는 dendritic spine. 마커: PSD95.

Microglia — 뇌의 면역 세포. 마커: Iba1. 손상된 synapse를 engulf할 수 있다.

Astrocyte — 뉴런을 지지하는 glia. 마커: GFAP. 돌기가 synapse를 감싸며, synaptic engulfment에도 관여.

핵심 질문: p-tau217이 plaque 주변에 나타난다는 건 알겠다. 그런데 정확히 어떤 구조물에서 나타나는 건가? 축삭인가, 시냅스인가, 세포체인가?

이 Figure가 보여주는 것: 먼저 p-tau181이라는 '정상적으로 축삭에 있는' p-tau를 기준점으로 삼았다. p-tau181은 정상 뇌에서 myelin으로 감싸진 축삭을 따라 깔끔하게 분포한다. 그런데 Aβ plaque 주변에서 이 축삭들이 물리적으로 뒤틀리고, 바로 그 변형된 축삭 위에 p-tau217이 함께 나타난다. Aβ plaque가 주변 축삭을 손상시키고, 그 손상 부위에서 tau의 비정상 인산화가 일어나고 있다는 뜻이다.

(D) 조감도 — p-tau217 + glia + synaptic marker + Aβ를 한 시야에 넣은 overview. 상단: p-tau217 녹색 + microglia Iba1 마젠타 + PSD95 노란 + Aβ 시안. 하단: p-tau217 녹색 + astrocyte GFAP 노란 + SYP 빨강 + Aβ 시안. Plaque 주변에서 이 네 가지가 공존하는 공간적 맥락을 보여준다.

(E) Glia가 synapse를 engulf하는 장면 — positive control — 직교 단면 YZ/XZ 확대. 상단: Iba1+ microglia 내부에 PSD95 신호가 들어가 있음 → microglia가 post-synapse를 삼킴. 하단: GFAP+ astrocyte 내부에 SYP 신호가 들어가 있음 → astrocyte가 pre-synapse를 삼킴. AD에서 glia의 synaptic engulfment가 실제로 일어나고 있음을 확인.

(F) 그런데 p-tau217은 glia 안에 없다 — 핵심 — 같은 직교 단면 방식. 상단: Iba1+ microglia 안에 p-tau217 신호 없음. 하단: GFAP+ astrocyte 안에도 없음. E에서 glia가 synapse를 활발히 삼키고 있는데도, p-tau217은 glia 내부에서 발견되지 않는다 → p-tau217 puncta는 glia가 삼킨 잔해가 아니라, 아직 살아있는 synapse에 존재.

(G) Microglia engulfment — Iba1+ microglia 내부에서 검출되는 비율: PSD95는 ~0.7%가 검출되지만, p-tau217은 0.005%만 검출. ***p<0.001. Microglia가 PSD95(post-synapse)는 삼키지만 p-tau217은 거의 삼키지 않는다.

(H) Astrocyte engulfment — GFAP+ astrocyte 내부에서 검출되는 비율: SYP는 ~3%가 검출되지만, p-tau217은 ~0.4%만 검출. ***p<0.001. 패턴이 동일하다 — glia는 synaptic marker는 삼키지만 p-tau217은 선택적으로 회피.

D-F의 이미지 관찰을 정량적으로 뒷받침하는 패널. p-tau217이 glia engulfment의 산물이 아님을 통계적으로 확정한다.

핵심 질문: Figure 4A-C에서 p-tau217이 synaptic marker SYP·PSD95와 겹친다는 걸 확인했다. 그런데 현미경에서 "겹친다"는 두 가지로 해석된다:
(1) p-tau217과 SYP가 같은 살아있는 synapse 안에 있다 → synapse 자체에서 tau 인산화가 진행 중
(2) Glia가 synapse를 통째로 삼킨 뒤, glia 뱃속에 SYP 잔해와 p-tau217이 함께 들어있다 → synapse는 이미 죽었고, glia 내부에서 겹쳐 보이는 것
AD에서 microglia·astrocyte가 synapse를 engulf하는 건 잘 알려져 있으므로, (2)를 배제해야 (1)을 주장할 수 있다.

Figure 4D-H가 보여주는 것: Glia는 synaptic marker(PSD95, SYP)를 실제로 engulf하고 있다 — 이건 사실이다(E). 그런데 같은 glia 안에서 p-tau217은 거의 발견되지 않는다(F, G, H). 즉 glia가 synapse를 삼킬 때 p-tau217은 따라 들어가지 않는다. p-tau217은 glia에게 먹힌 synapse 잔해가 아니라, 아직 glia에게 먹히지 않은 살아있는 synapse에 존재하는 것이다.

Kinase는 단백질에 phosphate group을 붙이는 효소이다. Tau의 특정 부위를 인산화하는 kinase를 tau kinase라 부른다. 이 섹션에서 다루는 3가지:

GSK3β (Glycogen Synthase Kinase 3β) — AD 연구에서 가장 주목받는 tau kinase. Tau의 여러 부위(Thr181, Thr217 포함)를 인산화할 수 있다. AD 뇌에서 활성이 증가하며, 치료 표적으로 연구 중.

Cdk5 (Cyclin-Dependent Kinase 5) — 정상적으로 뉴런 발달에 관여하지만, AD에서 p25라는 비정상 활성화 인자와 결합하면 tau를 과인산화시킨다.

JNK (c-Jun N-terminal Kinase) — 스트레스 반응 kinase. 산화 스트레스, Aβ 독성 등에 의해 활성화되며 tau를 인산화한다.

이 세 kinase 모두 in vitro에서 tau의 Thr217 부위를 인산화하는 것이 확인되어 있다. 이 섹션에서는 이들이 실제로 preclinical AD 뇌의 시냅스에서 p-tau217과 함께 존재하는지를 검증한다.

핵심 질문 1: AD에서 NFT는 주로 흥분성 뉴런에서만 생긴다. p-tau217도 마찬가지인가?
답: 아니다. NFT(AT8)는 ~90%가 흥분성 뉴런(SATB2+)에서만 검출되지만, p-tau217은 흥분성(VGLUT1, ~20%)과 억제성(GAD67, ~15%) 시냅스 모두에서 나타난다. p-tau217은 NFT와 다른 메커니즘으로 생성된다는 뜻이다.

핵심 질문 2: 그렇다면 p-tau217은 어떻게 만들어지는 건가? 그냥 수동적으로 떨어져 나온 건가?
답: 아니다. p-tau217 양성 시냅스에는 tau를 인산화하는 효소(GSK3β, Cdk5, JNK)가 정상 시냅스보다 유의하게 많이 모여 있다. 특히 GSK3β는 p-tau217 양성 pre-시냅스의 52%에서 검출된다. 시냅스 안에서 kinase가 능동적으로 tau를 인산화하고 있다는 직접 증거이다.

이 결과는 혈장 p-tau217이 단순히 뉴런 사멸의 부산물이 아님을 보여준다. 살아있는 시냅스에서 kinase에 의해 능동적으로 만들어지는 것이다. 따라서 p-tau217 수치 변화는 neurodegeneration보다는 synaptic dysfunction(시냅스 기능 이상)의 초기 지표로 해석하는 것이 더 적절하다. GSK3β 억제제 등 kinase 표적 치료의 근거도 될 수 있다.