This study reports an amelioration of abnormal motor behaviors in tetrahydrobiopterin (BH4)-deficient Spr-/- mice by the dietary supplementation of tyrosine. Since BH4 is an essential cofactor for the conversion of phenylalanine into tyrosine as well as the synthesis of dopamine neurotransmitter within the central nervous system, the levels of tyrosine and dopamine were severely reduced in brains of BH4-deficient Spr-/- mice. We found that Spr-/- mice display variable ‘open-field’ behaviors, impaired motor functions on the ‘rotating rod’, and dystonic ‘hind-limb clasping’. In this study, we report that these aberrant motor deficits displayed by Spr-/- mice were ameliorated by the therapeutic tyrosine diet for 10 days. This study also suggests that dopamine deficiency in brains of Spr-/- mice may not be the biological feature of aberrant motor behaviors associated with BH4 deficiency. Brain levels of dopamine (DA) and its metabolites in Spr-/- mice were not substantially increased by the dietary tyrosine therapy. However, we found that mTORC1 activity was severely suppressed in brains of Spr-/- mice fed a normal diet but restored 10 days after feeding the mice the tyrosine diet. The present study proposes that brain mTORC1 signaling pathway is one of the potential targets in understanding abnormal motor behaviors associated with BH4-deficiency.
이번 연구에서는 테트라히드로비옵테린 (BH4) 결핍 생쥐가 티로신 식이요법을 통해 이상행동이 개선되는지에 대해 기술하였다. BH4는 페닐알라닌을 티로신으로 변환하고, 중앙신경계에서 도파민이라는 신경전달물질을 생성하는데 필수적인 보조인자이기 때문에, BH4의 생합성에 관여하는 효소인 세피어프테린 환원 효소(Sepiapterin reductase, Spr)가 결핍된 생쥐의 뇌에서 티로신과 도파민의 농도가 현저하게 감소하게 된다. 운동능력조절에 필수적인 신경전달물질인 도파민의 감소는 필연적으로 운동능력의 저하로 나타나게 되는데 Spr 결핍 생쥐에서 나타나는 이상행동을 여러가지 행동실험을 통해 확인하였다. Open-field test를 통해서 Spr 결핍 생쥐가 움직임의 시작이 더디거나, 편향된 방향으로 움직이거나, 주변환경에 대한 적응에 이상을 보이는 등의 이상행동을 보이는 것을 관찰하였다. 이러한 이상행동은 티로신의 식이요법을 통해 현저하게 개선됨을 확인하였다. Rotating rod test를 통해서도 티로신을 섭취한 생쥐들이 움직이는 원통 위에서 정상 생쥐들과 거의 비슷한 운동능력을 보임을 확인하였다. 또한 Spr 결핍 생쥐들에게서만 나타나는 뒷다리 근육수축현상도 티로신 식이요법을 통해 개선된다는 것을 보여주었다. 이들 생쥐의 뇌조직에서 티로신의 농도가 티로신 섭취 후에 높아지는 것을 확인하였고, 이들 운동 능력의 개선은 도파민 농도의 회복을 통해서 이루어질 것이라 예상하였으나, 뇌조직에서의 도파민 농도를 측정한 결과 티로신 식이요법에도 불구하고 크게 증가하지 않았음을 확인하였다. 도파민의 대사산물인 DOPAC과 HVA의 농도도 그다지 증가하지 않았고, 티로신을 도파민 전구물질로 변환시켜주는 티로신 수산화효소 (Tyrosine hydroxylase)의 농도도 개선되지 않은 것으로 보아 실제 뇌조직으로 전달된 티로신이 도파민으로 생성되어 운동능력의 회복으로 나타난 것은 아닌 것으로 보인다. 한편 Spr 결핍 생쥐의 뇌조직에서 mTORC1 신호전달계가 억제되어있음을 S6K와 S6의 인산화로 확인하였고, 티로신의 섭취를 통하여 mTORC1신호전달계가 다시 활성화되는 것을 관찰하였다. 이상의 실험결과를 통해 Spr 결핍 생쥐에서 나타나는 이상행동이 도파민의 회복을 통하여 개선되는 것이 아님을 보이고, mTORC1 신호전달계가 관여하고 있음을 제시하고자 하였다.
