JP2020515846A - タウタンパク質凝集を調節する化合物の検出のための方法 - Google Patents

タウタンパク質凝集を調節する化合物の検出のための方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、タウタンパク質の対らせん状細線維(PHF)のインビトロ形成及び/又は検出のための方法であって、PHFの形成を促進する条件下で所定の期間タウタンパク質調製物とポリアニオン性補助因子を含む混合物をインキュベートすることを含む方法を提供する。

Description

本発明は、タウの対らせん状細線維(PHF)のインビトロ形成及び検出のための新規の方法に関する。これらの方法は、病的なタウ−タウタンパク質の会合及び病的な神経細線維凝集を調節する、例えば、阻害することができる化合物の選択のために使用することができる。本発明の方法は、アルツハイマー病(AD)の予防及び治療のための化合物をスクリーニングするのに特に有用である。
認知症は、記憶、思考、行動及び日常活動を行う能力に支障を来すいくつもの進行性障害によって引き起こされ得る症候群である。現在、全世界で約3600万人が認知症に罹患している。認知症者数は2030年までに倍増し、2050年までには3倍を超えて1億1540万人に上ることが予想されている。
アルツハイマー病(AD)は最も一般的なタイプの認知症である。現在、65歳以上の9人に1人(11パーセント)及び85歳を超える人のほぼ半数がアルツハイマー病を患っている。国際アルツハイマー病協会によれば、これらの患者にかかる医療コストは、現在では世界全体で年間6000億ドルを超える。これらのコストは、特に発展途上国世界において、さらなる公的な社会医療制度の出現、及び所得の向上による機会費用の高まりに伴い、疾患の罹患率を上回ってさらに急速に上昇する可能性が高い。
ADは、罹患した個体の脳における2種類の病的なタンパク質沈着物、すなわち、主としてβアミロイド(Aβ)ペプチド(アミロイド前駆体タンパク質(APP)の誘導体)から構築されるアミロイド線維からなるアミロイド斑及び神経原線維濃縮体(NFT)によって特徴づけられる。NFTは、タウとして知られる微小管結合タンパク質を過剰リン酸化して、不溶性形態で凝集させるか、又は集まらせることによって形成される。過剰リン酸化されたタウタンパク質のこれらの凝集は、PHF、すなわち「対らせん状細線維」とも称される。これらの凝集は、ADだけでなく多くの神経変性疾患の病理組織学的特徴であり、一括してタウオパチーとして知られる。タウオパチーには、例えば、アルツハイマー病(AD)、ピック病(PiD)、進行性核上性麻痺(PSP)、皮質基底核変性症(CBD)、及び前頭側頭葉変性症(FTLD)が含まれる。
疾患の鑑別診断及びステージ分類のためのマーカーとして機能することに加えて、タウ凝集体はまた、疾患の伝播を促進し得る。したがって、タウ凝集を阻害するための多様な戦略が、神経原線維病変の形成及び疾患進行に対する有望な治療法として研究されている。PHFのインビトロ形成に関するいくつかのアッセイが先行技術において記載されている(Friedhoff et al.,Biochemistry 1998,37:10223−10230;Barghorn and Mandelkow,Biochemistry 2002,41:14885−14896;Morozova et al.,Biochemistry 2013,52:6960−6967)。こうして、ポリアニオンのような化合物、並びに脂肪酸(及び誘導体)を加えることによって、タウの集合から線維への変化をインビトロで再現することができた。しかしながら、これらの方法は再現性を欠くことが示されており、これまでのところタウオリゴマーの均質な集団を調製する信頼性のない方法が利用可能であり、タウオリゴマーの毒性及び疾患におけるその考えられる役割を評価することができない。
したがって、とりわけ、ADなどのタウオパチーの診断及び/又は治療に有用な新規の効果的な薬物を選択するのに有用であり得る、上記の病的なタウの集合を妨げ得る有望な薬物の試験のために使用することができる、新規且つ信頼性のある方法が依然として必要とされている。
第1の態様において、本発明は、タウタンパク質の対らせん状細線維(PHF)のインビトロ形成のための方法であって、PHFの形成を促進する条件下で所定の期間タウタンパク質調製物とポリアニオン性補助因子を含む混合物をインキュベートすることを含む方法を提供する。
さらなる態様において、本発明は、タウタンパク質の対らせん状細線維(PHF)の形成を検出するためのインビトロの方法であって、
(a)PHFの形成を促進する条件下で所定の期間タウタンパク質調製物とポリアニオン性補助因子を含む混合物をインキュベートする工程;及び
(b)顕微鏡的手段又は分光学的手段によって、形成されたPHFを検出する工程
を含むインビトロの方法を提供する。
本発明はさらに、タウタウタンパク質の対らせん状細線維の形成を阻害又は促進することができる化合物の同定のためのインビトロの方法であって、
(a)試験化合物の非存在下及び存在下で上記の方法を実施する工程;並びに
(b)前記試験化合物の非存在下でのPHFの形成の動力学を、前記試験化合物の存在下でのPHFの形成の動力学と比較する工程
を含むインビトロの方法を提供する。
本発明は、病的なタウ−タウタンパク質の会合及び病的な神経細線維凝集を調節する、例えば、促進又は阻害することができる化合物の同定及び選択に有用であり得る、PHFの形成及び検出のための新規且つ信頼性のある方法を提供する。本発明の方法は、アルツハイマー病(AD)の予防及び治療のための化合物をスクリーニングするのに特に有用である。
ThT蛍光分光法によって観測されたrTau(15μM、pH=7.4)の凝集動力学。示されるとおり、データは低い再現性を示した(4回の反復実験)。 ThT蛍光分光法によって観測されたrTauの10μM(○)及び20μM(▲)、pH7.4の凝集動力学。データは低い再現性を示した(各濃度で2回の反復実験)。 先行技術の方法からの結果。 ThT蛍光分光法によって観測された、1mMのTCEPの非存在下(○)及び存在下(●)での10μMのrTauの凝集動力学(各濃度で3回の反復実験)。 ThT蛍光分光法によって観測されたrTau(PBS中のDCysM rTau、凍結)の15μM、pH7.4の凝集動力学。測定はゲイン60を用いて記録された。データは低い再現性を示した(5回の反復実験)。 ThT蛍光によって測定されたrTau(DCysM rTau、PBS、pH7.4中で凍結)の15μMの凝集動力学に関する4回の反復実験。測定はゲイン80を用いて記録された。 ThT蛍光によって測定されたrTau(DCysM rTau、PBS、0.5mM TCEP、pH6.5中で凍結乾燥)の15μMの凝集動力学に関する4回の反復実験。測定はゲイン80を用いて記録された。 PBS、0.5mM TCEP、pH6.5中で凍結乾燥された15μMのDCysM rTauに関するAFM画像。A:1μmズーム画像;B:300nmズーム画像。 シーディングのデータ:ThT蛍光によって測定されたrTau(PBS中のDCysM rTau、0.5mM TCEP、凍結乾燥)の15μM、pH6.5に関する凝集動力学。データは、それぞれシードの非存在下(●)において、又は前もって形成されたシードを2.5%(〇)、0.63%(△)若しくは0.16%(□)添加することによって示される。 濃度依存性データ:ThT蛍光によって測定されたrTau(PBS中のDCysM rTau、0.5mM TCEP、凍結乾燥)の5μM(△)、10μM(〇)、15μM(▽)及び20μM(□)に関する凝集動力学。測定はゲイン80を用いて記録された。臨界濃度(凝集するのに必要な最小のタウ濃度)は、5μMと10μMの間と検出された。 CBTAU 27.1の非存在下及び存在下でのThT蛍光によって測定されたrTau(DCysM rTau、pH6.7)の15μMの凝集動力学(rTau単独−直線、又はCBTAU−27.1を3μM−ドット;6μM−ダッシュ/ドット;9μM−ダッシュで伴う)。
NFTは、タウタンパク質を過剰リン酸化して、不溶性形態で凝集を引き起こすことによって形成される微小管結合タンパク質タウの神経細胞内凝集体である。過剰リン酸化されたタウタンパク質のこれらの凝集はまた、「対らせん状細線維」(PHF)とも称され得る。濃縮体形成の詳細な機構は完全には理解されておらず、濃縮体が疾患において主要な原因因子となるか、又はそれほど重要ではない役割を果たすのかは依然として議論されている問題である。しかしながら、PHFは神経変性に関係づけられるため、凝集の基盤となる原理の理解及びその過程を予防するか、又は逆転させる手段の発見を期待して、インビトロで凝集過程を再構成することは注目に値する。
タウ凝集は、2つの異なるステップ:核形成段階(誘導期)及び凝集の末期プラトーレベルまでの成長期(誘導期後の指数的成長)があるシグモイド曲線をもたらす核生成依存性重合(NDP)機構に追従することが知られている。NDP機構に関する基準は通常、以下の:
−誘導期後の指数的成長を示すシグモイドの動力学;
−核形成をバイパスする効率的なシーディング(すなわち、シードを加えるとき、指数的成長が観察されるはずであり、且つ誘導期が完全にバイパスされる;及び
−濃度依存性
である。
本発明によれば、核生成依存性重合機構の期待される特徴を示すPHFの形成のためのインビトロアッセイが開発された。
したがって、第1の態様において、本発明は、タウタンパク質の対らせん状細線維(PHF)の形成のためのインビトロの方法であって、PHFの形成を促進する条件下で所定の期間タウタンパク質調製物とポリアニオン性補助因子をインキュベートすることを含むインビトロの方法を提供する。
ある種の実施形態において、PHFの形成を促進する条件は、350〜500cpm、好ましくは400〜450cpm、特に425cpmでインキュベーション混合物を振盪することを含む。
タウタンパク質は、単一の遺伝子に起源をもち、且つサイズが352〜441アミノ酸(36.8〜45.9kDa)で変動する成熟タンパク質をもたらす選択的mRNAスプライスバリアントに由来する。それぞれ31〜32アミノ酸の3つ又は4つの微小管結合リピート(R)を有し、且つそれぞれ29アミノ酸のアミノ末端インサート(N)を2つ、1つ有するか又は全く有しない、互いに異なる6種のタウアイソフォームが存在する。ある種の実施形態において、タウタンパク質は、全長組換えタウタンパク質であり、好ましくは2つのN末端インサート及び4つの微小管結合ドメインを含有する最長のアイソフォーム、特にTau441である。
ある種の実施形態において、タウタンパク質調製物は実質的に純粋なタウ調製物である。本明細書で使用する場合、実質的に純粋なタウタンパク質調製物は、少なくとも99%純粋なタウタンパク質調製物を指す。
ある種の実施形態において、インキュベーション混合物中のタウタンパク質の濃度は、10〜30μM、好ましくは12〜20μMの範囲である。ある種の実施形態において、インキュベーション混合物中のタウタンパク質の濃度は15μMである。
ある種の実施形態において、タウタンパク質は還元型である。これは、トリス(2−カルボキシエチル)ホスフィン(TCEP)などの還元剤をインキュベーション混合物に加えることによって達成することができる。あるいは、ある種の実施形態において、タウタンパク質は変異体組換えタウタンパク質であり、システイン残基が変異されている。したがって、タウタンパク質は還元型のままとなり、還元剤を必要としない。
ある種の実施形態において、インキュベーションは、6.0〜7.4、好ましくは6.5〜7.0のpH、より好ましくは6.7のpHで実施される。
ある種の実施形態において、インキュベーションは、36℃と38℃の間の温度、好ましくは37℃の温度で実施される。
ある種の実施形態において、ポリアニオン性補助因子はヘパリンである。ある種の実施形態において、へパリン:タウタンパク質の比は、1:2である。
ある種の実施形態において、所定の期間は20〜60時間、好ましくは25〜45時間、特に約40時間である。
本発明によれば、高度に精製されたタウタンパク質調製物及び最適化されたインキュベーション条件を使用することによって、タウ凝集を極めて再現性のある様式でインビトロにおいて模倣することができることが見出された。本発明の方法は、核生成依存性重合機構の期待される特徴(誘導期に続く指数的成長及び定常期)を示す。得られた凝集体は、原子間力顕微鏡画像によって確認されるとおりPHF様形態を示し、タウの新たな凝集をシーディングする際に極めて有効である。
本発明はさらに、タウタンパク質の対らせん状細線維(PHF)の形成を検出するためのインビトロの方法であって、
(a)PHFの形成を促進する条件下で所定の期間タウタンパク質とポリアニオン性補助因子をインキュベートする工程;及び
(b)顕微鏡的手段又は分光学的手段によって、形成されたPHFを検出する工程
を含むインビトロの方法を提供する。
形成されたPHFを検出するためのいくつかの方法が知られている。本発明によれば、形成されたPHFの検出は、電子顕微鏡法(EM)若しくは原子間力顕微鏡法(AFM)などの顕微鏡的手段、又は分光学的手段を使用して実施され得る。ある種の実施形態において、分光学的手段は、蛍光分光法、好ましくはチオフラビンT蛍光分光法を含む。
本発明はさらに、タウタンパク質の対らせん状細線維の形成を阻害又は促進することができる化合物の同定のためのインビトロの方法であって、試験化合物の非存在下及び存在下の両方で上記の方法を実施すること;並びに前記試験化合物の非存在下でのPHFの形成の動力学を、前記試験化合物の存在下でのPHFの形成の動力学と比較することを含むインビトロの方法を提供する。
試験化合物がPHFの形成を阻害する場合、動力学はより遅くなり、長い誘導期及び/又は浅い成長期及び/又は低いプラトーによって特徴づけられることになる。
試験化合物がPHFの形成を促進する場合、動力学は、短い誘導期及び/又は急勾配の成長期及び/又は高いプラトーを有することになる。
本発明に従って使用される用語「PHF形成」は、タウタンパク質又はその断片が、集合又は凝集して対らせん状細線維になることを意味する。PHFは、原線維性の形態を有するミスフォールドしたタウ分子の高次の集合によって特徴づけられる。
本明細書で使用する場合、用語「PHF形成を阻害する」は、(完全に)「阻害する」ことに限定されず、好適なインビトロ条件下でPHF形成を「遅延させる」ことも含む。
本発明によれば、PHF形成を促進又は阻害することができる化合物は、抗体、又はその誘導体及び/若しくは断片であり得る。
本発明の方法によりスクリーニングされる有望な他の誘発剤又は阻害剤としては、タウの適切な部位に結合し、干渉し、且つ/又は占有する小分子が挙げられる。本発明は、有望なPHF形成阻害剤を評価する際に特に有用である。
本発明はさらに実施例で示されるが、これは決して本発明を限定するものではない。
実施例1:キュベット形式におけるインビトロ凝集アッセイ
全長タウを大腸菌(E.coli)BL21(DE3)において発現させ、His−トラップアフィニティークロマトグラフィーにより精製し、−80℃でPBS pH=7.4(一定分量)中に保存した。チオフラビンT(ThT)原液500μMを、乾燥粉末(Sigma−Aldrich、St Louis、MO、USA)をPBS、pH7.4中で溶解させることによって調製し、滅菌0.22μm孔径PESメンブランフィルタ(Corning、NY、USA)に通して濾過した。22000M−1 cm−1の吸光係数を用いた411nmでの吸光度測定によって濃度を決定した。ヘパリン原液を、乾燥粉末(Mw=17〜19kDa;Sigma−Aldrich、St Louis、MO、USA)をPBS、pH7.4中で溶解させることによって新たに調製し、滅菌0.22μm孔径PVDFメンブランフィルタ(Merck Millipore、Tullagreen、Cork、IRL)に通して濾過した。
25μMの最終ThT濃度、rTau10〜15μM(0.31ml mg−1cm−1の吸光係数を用いた280nmでの吸光度測定によって決定された濃度)及びrTau:ヘパリン=2:1の比のヘパリンを有する200μlの試料を、IKA Loopsterデジタルローター(15rpm)で継続的に振盪しながら0.5mlエッペンドルフチューブ中において37℃でインキュベートした。
少量の上記のインキュベート反応(10μl)を定期的に取り出し、最終体積500μlの25μM ThT溶液と混合した。ThT蛍光動力学測定は、ATF 105示差/比率分光蛍光光度計(Aviv、NJ、USA)において5mm光路の石英セル(Hellma Analytics、Germany)中25℃で行われた。600〜460nmの発光スキャンが、4nmの帯域幅及び電圧700/260Vを用いて、440nmの励起波長について記録された(最大:482nm)。rTauの線維形成中において、凝集の誘導期、成長及び末期プラトーレベルの再現性は観察されなかった(図1及び図2)。核生成依存性重合(NDP)の基準は満たされなかった。これは、文献においても観察された(図3)。公開されているデータの大部分が、rTau断片及び全長ではないrTauに関連し、はるかに速く凝集する。データでは全般的に再現性がないことが観察された;明確な誘導期に続く指数的成長のないシグモイドの動力学、あるいは他方では、非効率的なシーディングが示された。
タウ分子は、凝集動力学に大きな影響を及ぼす異なる立体構造をもたらす、ジスルフィド架橋を形成することができる2つのシステインを含有する。ジスルフィド架橋を還元するために、還元剤であるトリス(2−カルボキシエチル)ホスフィン(TCEP)をタンパク質溶液に加えた。凝集過程の動力学は、TCEPの非存在下及び存在下でのThT蛍光を後に伴った(図4)。
TCEP存在下での結果は、より高い再現性及び異なる動力学の傾向を示した。TCEP非存在下では、異なる挙動が観察された(バッチ間の変動性)。ジスルフィド架橋は小型の単量体又は二量体を形成することができ、ジスルフィド架橋が還元されるとき、タウ分子は開いた単量体になると期待される。一方では、小型の単量体の存在が誘導期を延長することになり、また凝集の末期プラトーレベルも低下させることになる。他方では、二量体の存在が凝集過程を著しく加速させることになる。異なる分子立体構造の組み合わせが、凝集の末期プラトーレベルに影響を及ぼし得る。
これらの結果に基づいて、変異体タウタンパク質(DCysM rTau)を使用することが決定されたが、ここで、システイン残基は、それらをアラニンによって置換することにより変異される。
実施例2:プレートリーダー形式におけるインビトロ凝集アッセイ
全長タウ二重システイン変異体(DCysM Tau)を大腸菌(E.coli)BL21(DE3)において発現させ、His−トラップアフィニティークロマトグラフィーにより精製し、
−80℃でPBS pH=7.4(一定分量)中に保存した。ThT蛍光動力学測定を、440nmの励起波長及び485nmの発光波長で、Biotek Synergy Neo2マルチ−モードマイクロプレートリーダー(Biotek、VT、USA)中の96ウェルプレート(Thermo Scientific、Vantaa、Finland)において37℃で行った。
50μMの最終ThT濃度、8μMのヘパリン及び15μMのrTau(0.31ml mg−1cm−1の吸光係数を用いた280nmでの吸光度測定によって決定された濃度)を有する200μlの試料を、プレートシーラー(R&D Systems、Minneapolis、MN)で密閉した。出発rTau材料に関して還元剤及び保存条件の効果を評価することによって、アッセイを最適化した(図5〜6)。継続的に振盪しながら(425cpm、3mm)、データを900秒毎に記録した。NDP基準を満たす最終アッセイ条件が図7〜10に示される:
−誘導期後の指数的成長を示すシグモイドの動力学(図7)
−凝集体は原線維構造を示す(図8)
−核形成をバイパスする効率的なシーディング(シードを加えるとき、シードと単量体の間で100%の適合性がある場合、指数的成長が観察されるはずである;図9)
−濃度依存性(図10)
実施例3:プレートリーダー形式におけるインビトロ凝集アッセイ:シーディング
rTauの凝集した試料を50時間後にプールし、rtauの新たな凝集のためのシードとして使用した(図9)。超音波処理した凝集体をrTauの新しい溶液に加えることによって、rTauの自発的転換において観察される誘導期の完全なバイパス(NDP機構の厳密な基準の1つ)を引き起こした。
実施例4:プレートリーダー形式におけるインビトロ凝集アッセイ:阻害剤のためのシーディング
15μMのrTauを、50μMのThT、8μMのヘパリン及び0.5mMのTCEPを含有する200μlのPBS溶液中において、単独又は3μM、6μM及び9μMのCBTAU 27.1(タウ結合抗体)の存在下でインキュベートした。プレートをプレートシーラー(R&D Systems、Minneapolis、MN)で密閉し、継続的に振盪しながら(425cpm、3mm)、測定値を900秒毎に記録した(図11を参照のこと)。9μMのCBTAU−27.1の存在下で、rtauの転換が、アッセイの全期間(160時間)完全に阻止されることを観察することができた。6μMのCBTAU−27.1の存在下では、転換の誘導期が70時間に延長され、転換は、160時間のアッセイ期間において完了しなかった。3μMのCBTAU−27.1もまた、rtauの転換を阻害しており、長い誘導期と低い最終的なプラトーによって強調される。

Claims (13)

  1. タウタンパク質の対らせん状細線維(PHF)のインビトロ形成のための方法であって、PHFの形成を促進する条件下で所定の期間タウタンパク質調製物とポリアニオン性補助因子を含む混合物をインキュベートすることを含む方法。
  2. PHFの形成を促進する前記条件が、350〜500cpm、好ましくは400〜450cpm、特に425cpmでインキュベーション混合物を振盪することを含む、請求項1に記載の方法。
  3. 前記タウタンパク質が、全長組換えタウタンパク質であり、好ましくは2つのN末端インサート及び4つの微小管結合ドメインを含有する最長のアイソフォームである、請求項1又は2に記載の方法。
  4. 前記タウタンパク質調製物が実質的に純粋なタウ調製物である、請求項1、2又は3に記載の方法。
  5. 前記インキュベーション混合物中のタウタンパク質の濃度が、10〜30μM、好ましくは12〜20μMの範囲である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記タウタンパク質が還元型である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。
  7. 前記インキュベーションが、6.0と7.4の間のpH、好ましくは6.5と7.0の間のpH、より好ましくは6.7のpHで実施される、請求項1〜6のいずれか一項に記載の方法。
  8. 前記インキュベーションが、36℃と38℃の間の温度、好ましくは37℃の温度で実施される、請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。
  9. 前記ポリアニオン性補助因子がヘパリンである、請求項1〜8のいずれか一項に記載の方法。
  10. タウタンパク質の対らせん状細線維(PHF)の形成を検出するためのインビトロの方法であって、
    (a)請求項1〜9のいずれか一項に記載の方法を使用してPHFの形成を誘導する工程;及び
    (b)顕微鏡的手段又は分光学的手段によって、形成されたPHFを検出する工程
    を含むインビトロの方法。
  11. 前記分光学的手段が、蛍光分光法、好ましくはチオフラビンT蛍光アッセイを含む、請求項10に記載の方法。
  12. タウタウタンパク質の対らせん状細線維の形成を阻害又は促進することができる化合物の同定のためのインビトロの方法であって、
    (a)試験化合物の非存在下及び存在下で請求項10又は11に記載の方法を実施する工程;並びに
    (b)前記試験化合物の非存在下でのPHFの形成の動力学を、前記試験化合物の存在下でのPHFの形成の動力学と比較する工程
    を含むインビトロの方法。
  13. 前記化合物が抗体又はその断片である、請求項12に記載の方法。
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