アミロイド前駆体タンパク質ノックインマウスにおけるPorphyromonas gingivalisリポポリサッカライドの慢性全身曝露後のアルツハイマー病病態の促進にGSK3βが関与していることを明らかにした

GSK3β is involved in promoting Alzheimer's disease pathologies following chronic systemic exposure to Porphyromonas gingivalis lipopolysaccharide in amyloid precursor protein knock-in mice.

抄録

歯周炎とアルツハイマー病（AD）との強い関連性が臨床的に示されているのに伴い、前臨床研究ではPorphyromonas gingivalis（Pg）の全身曝露がADの病態を引き起こすことが示されている。しかし、Porphyromonas gingivalis（Pg）の全身への曝露がADの病態を引き起こすことが前臨床研究で示されているが、歯周炎がADの病態促進に関与しているかは不明である。本研究では、Pg由来のリポ多糖（PgLPS、1mg/kg、1日、腹腔内）を慢性的に全身に曝露することで、スウェーデン変異およびBeyreuther/Iberian変異を有するアミロイド前駆体タンパク質（APP）ノックインマウス（10カ月齢）において、神経炎症とタウの過リン酸化が促されることを明らかにした。学習・記憶機能は受動的回避試験を用いて評価した。また、APPマウスの大脳皮質において、APP、アミロイド（A）β、サイトカイン、シナプスタンパク質の産生、グリコーゲン合成酵素キナーゼ（GSK）-3βの活性化、タウのリン酸化を、免疫組織化学、ウェスタンブロッティング、酵素結合免疫吸着法（ELISA）などの手法で解析した。PgLPSを3週間連続で全身に投与すると、シナプス後密度タンパク質（PSD95）が有意に減少し、学習・記憶障害が誘発されることがわかった。また、APPマウスの神経細胞では、Aβの蓄積ではなく、タウのSer202、Thr231、Ser396などの複数の残基でのリン酸化の増加が検出された。さらに、PgLPSは、9位のセリン残基（Ser9）のリン酸化を抑制することでGSK3βの活性を高め、インターロイキン-1β（IL-1β）や腫瘍壊死因子の発現を増加させることで神経炎症を促進した。(IL-1β)と腫瘍壊死因子(TNF-α)の発現を増加させる一方で、インターロイキン-10(IL-10)と形質転換成長因子(TGFβ)の発現を減少させ、神経炎症を促進した。さらに、APPマウスの大脳皮質において、PgLPSによるGSK3β活性の増加はミクログリアと神経細胞の両方で検出され、PgLPSによるTNF-α発現の増加は主にミクログリアで検出された。in vitroの研究では、PgLPS（1µg/ml）刺激はMG6ミクログリアのTNF-αのmRNAおよびタンパク質レベルを上昇させたが、GSK3β特異的阻害剤TWS119で有意に抑制された。一方、N2aニューロンでは、PgLPS刺激したミクログリアの条件液で処理すると、タウの過リン酸化とGSK3βの活性化が促進されたが、TNF-α阻害剤で前処理すると、その効果は弱まった。以上の結果から、APPマウスの学習・記憶障害の原因となるミクログリア（TNF-α）依存性のタウのリン酸化には、GSK3βが関与していることがわかった。GSK3βの活性化を抑制することで、歯周炎によって促進されるADの病的進行を遅らせることができるのではないかと考えられる。

In line with the strong association between periodontitis and Alzheimer's disease (AD) clinically, preclinical studies have shown that systemic exposure to Porphyromonas gingivalis (Pg) initiates AD pathologies. However, the involvement of periodontitis in promoting AD pathologies is unclear. In the present study, we provided evidence that chronic systemic exposure to lipopolysaccharide derived from Pg (PgLPS, 1 mg/kg, daily, intraperitoneally) prompted neuroinflammation and tau hyperphosphorylation in 10-month-old of amyloid precursor protein (APP) knock-in mice, a model of AD, carrying the Swedish and Beyreuther/Iberian mutation (APP). The learning and memory function were assessed using the passive avoidance test. The production of APP, Amyloid (A)β, cytokines, synaptic proteins and the activation of glycogen synthase kinase (GSK)-3β as well as phosphorylation of tau were analyzed by immunohistochemistry, Western blotting or an enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) in the cortex of APP mice. We found that systemic exposure of PgLPS for three consecutive weeks induced learning and memory deficits with significantly reduced postsynaptic density protein (PSD95). Increased hyperphosphorylation of tau in multiple residues, including Ser202, Thr231 and Ser396, but not the accumulation of Aβ was detected in the neurons of APP mice. Furthermore, PgLPS increased the GSK3β activity by reducing its phosphorylation of the serine residue at position 9 (Ser9) and promoted neuroinflammation by increasing the expression of interleukin-1β (IL-1β) and tumor necrosis factor (TNF-α) while decreasing that of interleukin-10 (IL-10) and transforming growth factor (TGFβ) in the cortex of APP mice. Moreover, the PgLPS-increased GSK3β activity was detected in both microglia and neurons, while the PgLPS-increased TNF-α expression was mainly detected in the microglia in the cortex of APP mice. In in vitro studies, PgLPS (1 µg/ml) stimulation increased the mRNA and protein level of TNF-α in MG6 microglia, which were significantly inhibited by the GSK3β-specific inhibitor TWS119. In contrast, the tau hyperphosphorylation and activation of GSK3β in N2a neurons were enhanced after treatment with conditioned medium from PgLPS-stimulated microglia, which was attenuated after pre-treatment with TNF-α inhibitor. Taken together, these findings indicate that GSK3β is involved in prompting microglia (TNF-α)-dependent tau hyperphosphorylation in neurons, resulting in learning and memory deficits in APP mice without changes in the Aβ expression during chronic systemic exposure to PgLPS. We propose that dampening GSK3β activation may help delay the periodontitis-promoted pathological progression of AD.