Microtubules (MTs) are anionic hollow cylindrical nanotubes assembled from tubulin heterodimers as building blocks, and they perform crucial functions in our cells such as cell structure maintenance, mitotic spindles in cell division process, and road for intracellular trafficking.
As a microtubule-associated protein (MAP) found exclusively and abundant in neurons, tau regulates the dynamics of and stabilizes axonal MTs. Abnormalities of tau due to such mutations as hyperphosphorylation is known to disintegrate the stabilized MTs and make tangled clumps of paired helical filaments (PHFs) of tau, which lead to neuronal death. Neuronal losses from such abnormalities are shown as lesions in many neurodegenerative diseases. Being an intrinsically disordered protein (IDP), there are no secondary nor tertiary structures of tau, which poses difficulties on understanding how tau interacts with MTs under normal and abnormal circumstances. Still. Despite the numerous structural researches on tau and MTs, where tau binds on MTs and how it stabilizes them are not well understood.
Inspired by a previous study suggesting tau binding inside of MTs in a co-assembly system led our group to conduct small angle X-ray scattering experiments on tau co-assembled MTs with variations in Taxol, a therapeutic cancer drug that is well known to stabilize MTs by binding to the inside of MTs. With respect to increasing $\Phi$, the mixing molar ratio of tau to tubulin, the inner radius of the co-assembled MTs increased until $\Phi=0.2~0.4$, and then decreased for the rest of the mixing ratio up to $\Phi=1$.
Due to the characteristics of tau being an IDP, a such more fundamental study regarding the binding ratio of tau and tubulin is necessary to understand the structure of tau co-assembled MTs. In this thesis, a study on the binding affinity of human short (3RS, 4RS)/long (3RL, 4RL) tau isoforms and tubulin was done using purified tau and tubulin, sucrose cushioning ultracentrifugation and binding assays. Interestingly, the binding behavior of tau to tubulin was isoform-dependent, the differences of isoforms being short or long accounting more than the number of repeat regions each isoform have. The differences in the mixing ratio of Taxol suggests a possibility of tau binding to tubulin competing with Taxol, maybe even for the same inner binding site.
신경세포의 축색돌기에서 많이 발견되는 타우는 튜불린 단백질 이합체의 조립으로 이뤄진 지름 25 nm의 관 구조 세포골격인 마이크로튜불에 결합하는 단백질이며, 인간 염색체 제17번에 위치한 MAPT의 선택적 스플라이싱으로 총 6가지의 동형 단백질 (3RS, 3RM, 3RL, 4RS, 4RM, 4RL)이 존재한다. 타우가 정상성을 잃어 마이크로튜불의 구조를 제어하지 못하는 것은 알츠하이머병을 비롯한 여러 뇌 질환의 소견과도 연관되어있다. 자궁암, 유방암, 폐암, 방광암 등 여러 암 종류에 가장 널리 알려진 치료제로 쓰이는 택솔 (파클리탁셀)은 튜불린과 결합하는 약물 중 하나이다. 택솔은 마이크로튜불의 안쪽 자리의 튜불린과 결합해 마이크로튜불의 구조를 안정화시키고 해체를 막는다.
일반적인 단백질과는 달리 타우는 2차 및 3차 구조가 존재하지 않아, 튜불린과의 혼성중합을 비롯한 타우와 관련된 구조 연구에 있어 어려움이 있다. 지금껏 타우와 마이크로튜불에 대한 연구는 많았지만 타우가 마이크로튜불의 어디에 어떻게 붙는지에 대해서는 명확하게 이해하지 못 하고 있다. 타우와 혼성중합된 마이크로튜불에 대한 X-선 소각 산란 실험에 대한 선행연구결과에 따르면, 튜불린 대비 섞어준 타우의 양이 증가함에 따라 마이크로튜불의 내부 반지름이 타우의 몰 비율 0.2~0.4 부근까지 증가하다가 그 이후로는 다시 감소하는 양상을 보였다. 이에 대한 이해를 위해서는 마이크로튜불을 이루는 타우와 튜불린의 결합친화도에 대한 고찰이 필요하다.
본 연구에서는 마이크로튜불과의 결합에 참여하는 부위인 반복 구간이 3개 혹은 4개인 타우 단백질 중 길이가 가장 길고 (3RL, 4RL) 짧은 (3RS, 4RS) 동형 단백질들을 튜불린과 혼성중합 이후 sucrose 밀도구배 원심분리, Coomassie Blue 염색 및 Western Blot을 통해 결합분석을 진행했다. 실험 결과 동형 단백질에 따라 튜불린에 대한 타우의 결합비가 달랐으며, 동형 단백질의 길이가 길고 짧음에 의한 결합비 차이가 각 동형 단백질의 반복 구간 개수가 다른 것에 의한 차이보다 컸다. 튜불린에 대한 타우의 결합비는 같이 넣어준 택솔의 양을 증가시켰을 때 감소했으며 긴 타우에서 그 차이가 보다 도드라졌고, 종합적으로 튜불린에 붙는 타우가 택솔과 경쟁할 수도 있음을 제안한다.
