Tau蛋白在阿爾茨海默病中的作用研究進(jìn)展

夏兆云，趙虹，潘露茜，施揚(yáng)，陸征宇

阿爾茨海默?。ˋlzheimer's disease，AD）是最普遍的神經(jīng)退行性疾病，它會(huì)引起人格改變、不適當(dāng)?shù)纳鐣?huì)行為和情緒，及認(rèn)知功能的進(jìn)行性下降，其中最明顯的是嚴(yán)重的記憶喪失。截止到2010年，全球60歲以上的AD患者約有3 500萬，并以每20年增加1倍的速度增長(zhǎng)，至2050年全球AD患者將達(dá)1.3億[1]。目前AD公認(rèn)的神經(jīng)病理學(xué)特征是神經(jīng)細(xì)胞間大量由β淀粉樣蛋白（Amyloid-β，Aβ）異常沉積形成的老年斑、細(xì)胞內(nèi)神經(jīng)纖維纏結(jié)（Neurofibrillary tangles，NFTs）。其中NFTs由Tau蛋白引起，也被確定為Tau病理學(xué)，主要在Tau蛋白病中觀察到。Tau蛋白病是一種由于Tau蛋白功能喪失或毒性功能增加而引起功能紊亂的疾病，主要包括如AD、額顳葉癡呆、帕金森病及震顫性麻痹、進(jìn)行性核上麻痹和慢性創(chuàng)傷性腦病等具有Tau蛋白異常磷酸化和基因缺陷特征的神經(jīng)系統(tǒng)疾病。一項(xiàng)關(guān)于AD小鼠的實(shí)驗(yàn)表明，Tau蛋白缺乏不會(huì)導(dǎo)致明顯的神經(jīng)死亡或變性[2]。因此，假設(shè)像AD這樣的Tau蛋白病是由于毒性作用增加的后果，這可能與神經(jīng)元中修飾或未修飾Tau蛋白的聚集有關(guān)。本文重點(diǎn)關(guān)注未來的Tau病理學(xué)研究，總結(jié)AD的其他治療靶點(diǎn)，因?yàn)槌鼳β和Tau之外的其他分子可能參與AD的發(fā)作，從而能為AD患者的治療提供新思路。

1 AD的特征是大量的Tau蛋白聚集

Tau蛋白是一種分子量在50～75 kD之間的微管相關(guān)蛋白（microtubule associated protein，MAP），主要定位于神經(jīng)元的軸突。正常情況下，Tau蛋白呈可溶性，與微管蛋白結(jié)合以促進(jìn)微管的聚合和穩(wěn)定。但在AD患者中，Tau蛋白過度磷酸化使其由可溶變?yōu)椴豢扇?，發(fā)生病理性聚集，從而導(dǎo)致NFT，并最終導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞喪失功能、甚至死亡[3]。研究表明，與健康對(duì)照組相比，AD患者腦組織中大量Tau蛋白聚集[4]。Tau的聚集可能是由于微管相關(guān)蛋白Tau蛋白（microtubule associated protein Tau，MAPT）基因的轉(zhuǎn)錄增加，Tau蛋白翻譯增加，或Tau蛋白降解不足引起的[5]。在信號(hào)傳導(dǎo)途徑中，哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）作為一種非典型絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，可參與Tau蛋白翻譯增加和減少Tau蛋白降解。這一概念主要是通過觀察AD患者大腦中mTOR信號(hào)的增加來支持的[6]。mTOR的激活通過兩個(gè)主要機(jī)制影響Tau蛋白的調(diào)節(jié)。一方面與幾種關(guān)鍵信號(hào)傳導(dǎo)途徑的相互作用（如PI3K/Akt、GSK-3β、AMPK等），促進(jìn)Tau病理學(xué)的進(jìn)展[7]。另一方面，mTOR的激活抑制自噬，從而延遲Tau降解和增強(qiáng)Tau聚集體的形成[8]。此外，自噬誘導(dǎo)物（例如雷帕霉素）促進(jìn)Tau不同形式的降解，并且還防止其在Tau轉(zhuǎn)基因和AD小鼠模型中的毒性[9]。一些報(bào)道顯示mTOR抑制劑在AD小鼠模型腦中的有益作用[7]。

目前的假設(shè)是，Tau蛋白聚集主要由蛋白質(zhì)降解不足引起，而不是由這種蛋白質(zhì)表達(dá)的增加引起。較低的Tau蛋白周轉(zhuǎn)率可促進(jìn)各種激酶對(duì)Tau蛋白的磷酸化、乙酰化、糖基化或其他翻譯后修飾也能導(dǎo)致Tau蛋白的聚集[10]。然而當(dāng)這些修飾形式存在于神經(jīng)元中時(shí)，它們中的一些有毒。因此，細(xì)胞內(nèi)Tau蛋白的長(zhǎng)期壽命（由于較低的周轉(zhuǎn)率）可能有負(fù)面后果。此外，由于核MAPT RNA的不同剪接而產(chǎn)生的包含3或4個(gè)與微管蛋白結(jié)合重復(fù)的Tau蛋白亞型的不同比例也可促進(jìn)Tau蛋白病如亨廷頓病的毒性作用[11]。剪接機(jī)制還可產(chǎn)生許多其它不同的Tau亞型，參與神經(jīng)元毒性。關(guān)于蛋白質(zhì)降解，Tau聚集體可通過兩種途徑靶向蛋白質(zhì)清除，即泛素-蛋白酶體系統(tǒng)和自噬-溶酶體系統(tǒng)，后者又包括微自噬、伴侶蛋白介導(dǎo)的自噬和巨自噬三種途徑。Tau可在NFT中的KXGS基序上泛素化，并且可通過泛素-蛋白酶體系統(tǒng)或巨自噬進(jìn)行處理[12]。還有學(xué)者使用表達(dá)具有FTD-17突變的Tau重復(fù)結(jié)構(gòu)域的神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞系，證明Tau聚集體可被巨自噬降解[13]。

2 AD大腦對(duì)腦細(xì)胞內(nèi)Tau增加的處理

由于腦中微管蛋白的比例遠(yuǎn)高于Tau蛋白（或其他MAP），腦Tau蛋白的輕微增加可導(dǎo)致蛋白質(zhì)與存在于神經(jīng)元微管中的可用開放位點(diǎn)的額外相互作用。當(dāng)Tau蛋白的增加通過過量的功能未修飾形式時(shí)，這種相互作用將導(dǎo)致聚合微管中的Tau/微管蛋白比率更大。在這種情況下，Tau蛋白的增加也會(huì)導(dǎo)致與其他分子或細(xì)胞器（如線粒體）競(jìng)爭(zhēng)相同的微管結(jié)合位點(diǎn)[14]。這種競(jìng)爭(zhēng)可能影響這些細(xì)胞器的運(yùn)輸（由微管介導(dǎo)），與其他MAP中的效應(yīng)類似。

Tau蛋白正常情況下廣泛存在于神經(jīng)元內(nèi)，因其與軸突的結(jié)合力比與細(xì)胞體或樹突的結(jié)合力強(qiáng)，所以在腦內(nèi)主要集中在神經(jīng)元軸突中。神經(jīng)元Tau蛋白的進(jìn)一步增加可導(dǎo)致蛋白質(zhì)亞細(xì)胞定位的改變，有利于其定位到體細(xì)胞樹突間[15]。除了神經(jīng)元，Tau可內(nèi)化到其他細(xì)胞中。小膠質(zhì)細(xì)胞在體外和體內(nèi)攝取Tau。在這方面，來自原代培養(yǎng)物的小膠質(zhì)細(xì)胞在體外內(nèi)化可溶性（人重組Tau42）和不溶性（來自人AD腦的勻漿）Tau。此外，細(xì)胞內(nèi)Tau蛋白水平的增加可能導(dǎo)致其分泌到細(xì)胞外[16]，在細(xì)胞外它可能對(duì)鄰近的神經(jīng)元有毒性，并可在整個(gè)大腦中增殖[17]。在這種情況下，Tau蛋白可能以修飾或未經(jīng)修飾的形式分泌[18]。

解決細(xì)胞內(nèi)Tau蛋白增加的一種策略是通過作用于mTOR途徑來降低其表達(dá)或增加其降解。研究發(fā)現(xiàn)，上調(diào)的mTOR與AD腦中總Tau的增加有關(guān)，并且雷帕霉素對(duì)mTOR的抑制降低體外和體內(nèi)總Tau的水平[19]。在生理和應(yīng)激條件下，mTOR信號(hào)通路是調(diào)控細(xì)胞自噬的關(guān)鍵信號(hào)途徑，外源性應(yīng)用mTOR抑制劑可能促進(jìn)神經(jīng)元的自噬[20]?；蛘呖赏ㄟ^增加微小RNA（microRNAs，miRNAs）的表達(dá)來降低Tau蛋白的表達(dá)（如miRNA129），從而減少其翻譯[21]。

3 細(xì)胞外Tau蛋白的功能

細(xì)胞內(nèi)Tau蛋白水平的升高影響其分泌，或在少數(shù)情況下導(dǎo)致神經(jīng)元死亡[16,17]。在這兩種情況下，它也會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞外Tau，一種有毒分子的存在[17]。Tau蛋白胞吐作用（分泌）的各種機(jī)制已被提出[22]。在某些情況下，可溶性未修飾的Tau蛋白被分泌，而在其他情況下被修飾（磷酸化、聚集等）的Tau蛋白從細(xì)胞中釋放出來。這種釋放是通過裸露形式或通過外來體發(fā)生的[16]；然而，也有人提出這種釋放通過隧穿納米管發(fā)生[23]。此外，細(xì)胞外Tau蛋白還與周圍神經(jīng)元相互作用，可通過多種內(nèi)源性細(xì)胞途徑內(nèi)化。根據(jù)Tau蛋白是否處于未修飾或修飾形式，它分別與細(xì)胞受體（毒蕈堿受體M1/M3）[17]或細(xì)胞外基質(zhì)成分如硫酸乙酰肝素結(jié)合[24]。此外，研究工作應(yīng)該解決是否涉及其他內(nèi)噬作用機(jī)制[25]。

另外，細(xì)胞外Tau蛋白與神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞相互作用。本文主要分析Tau蛋白與小膠質(zhì)細(xì)胞的相互作用。小膠質(zhì)細(xì)胞是神經(jīng)系統(tǒng)重要的免疫細(xì)胞，小膠質(zhì)細(xì)胞的活性增強(qiáng)可導(dǎo)致Tau蛋白的過度磷酸化。觀察表明，小膠質(zhì)細(xì)胞通過形成含有Tau的外泌體直接與神經(jīng)元相連參與Tau的擴(kuò)散[26]。初步數(shù)據(jù)表明這種相互作用發(fā)生在不同的受體與先前描述的神經(jīng)元的相互作用中，盡管在一小群小膠質(zhì)細(xì)胞中存在毒蕈堿M3受體[27]。

因此，不管細(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞外Tau蛋白的增加均有可能產(chǎn)生負(fù)面后果。在細(xì)胞外Tau蛋白的情況下，它可以通過小膠質(zhì)細(xì)胞的作用被清除；然而，這些細(xì)胞在Tau蛋白病喪失一些功能特征[28]。雖然阻斷Tau蛋白結(jié)合所需的細(xì)胞受體已被提出[17]，但目前的研究工作主要集中在Tau蛋白疫苗的研發(fā)上[29]。預(yù)計(jì)未來的研究將確定這些疫苗預(yù)防細(xì)胞外Tau蛋白毒性和繁殖的潛力。

4 神經(jīng)元細(xì)胞中Tau蛋白消除的后果

細(xì)胞內(nèi)Tau蛋白可發(fā)揮多種功能已被明確提出。例如，Tau蛋白作為微管蛋白的主要成分，與其他蛋白質(zhì)如結(jié)合在GTP微管蛋白微管末端的EB蛋白相反，表現(xiàn)出對(duì)微管蛋白結(jié)構(gòu)的更大結(jié)合親和力[30]。它的存在有利于體外微管的組裝，對(duì)于降低微管動(dòng)力學(xué)和增加微管穩(wěn)定性方面也發(fā)揮重要作用[31]。此外，Tau蛋白可調(diào)節(jié)微管中原絲的數(shù)量。另一方面，Tau蛋白與EB蛋白的相互作用已被證明可調(diào)節(jié)發(fā)育中神經(jīng)元軸突的延伸[32]，調(diào)節(jié)軸突Tau蛋白排序[15]。然而，在Tau蛋白基因敲除（miRNAs廣泛的缺乏）小鼠模型中一些Tau蛋白功能因其他蛋白質(zhì)的存在而得到補(bǔ)充，并且在Tau蛋白缺陷小鼠中神經(jīng)元分化功能僅僅被延遲但未受損[2]。更具體地說，Tau蛋白的丟失導(dǎo)致覺醒持續(xù)時(shí)間增加和非快速動(dòng)眼睡眠減少[33]。此外，Tau蛋白基因敲除小鼠不僅表現(xiàn)出震顫和帕金森病的其他特征，還表現(xiàn)出腦部胰島素抵抗和心血管功能改變[34-36]。

像AD這樣的Tau蛋白病的治療策略應(yīng)涉及降低細(xì)胞內(nèi)Tau蛋白水平或清除細(xì)胞外Tau蛋白兩個(gè)方面。小鼠模型顯示，蛋白質(zhì)的缺失不影響生存力或刺激神經(jīng)內(nèi)分泌紊亂，因此一種治療方法是去除整個(gè)Tau蛋白[2]。然而，Tau蛋白缺失可能導(dǎo)致Tau缺陷小鼠的某些功能特性喪失。Tau蛋白丟失的主要結(jié)果在齒狀回存在的新生顆粒細(xì)胞頂端樹突上被發(fā)現(xiàn)。Tau基因敲除小鼠暴露于富集環(huán)境（通常發(fā)生在野生型小鼠）時(shí)，樹突棘不生長(zhǎng)。此外，在Tau基因敲除野生型小鼠模型中未觀察到應(yīng)激狀態(tài)下這些頂端樹突中樹突棘的丟失[37]。這些結(jié)果體現(xiàn)Tau蛋白與突觸可塑性的相關(guān)性，表明該分子是用于正面或負(fù)面外部刺激的突觸可塑性調(diào)節(jié)劑[37]。

此外，樹突棘中Tau蛋白的存在可調(diào)節(jié)Aβ在神經(jīng)元中的毒性作用[38]。Aβ肽、Glu N2B（N-甲基-D-天冬氨酸受體的一個(gè)亞基）、酪氨酸激酶fyn和PSD-95（突觸后蛋白）參與這一過程[38]。除了Aβ的作用，一種與記憶和學(xué)習(xí)有關(guān)的蛋白質(zhì)Tau-fyn-GluN2B調(diào)節(jié)環(huán)磷腺苷效應(yīng)元件結(jié)合蛋白活性也被提出[39]。由于AD被認(rèn)為是突觸聯(lián)癥，因此需深入分析Tau蛋白在突觸連接中的作用（正面和負(fù)面）。但因?yàn)樵S多藥物制劑無法穿過血腦屏障，因此使用化合物預(yù)防突觸缺陷并非易事。盡管如此，一些可滲透血腦屏障的化合物，如睫狀神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子的修飾肽，對(duì)于挽救突觸缺陷仍有重要作用[40]。

5 小結(jié)與展望

關(guān)于Tau蛋白病理學(xué)，目前研究似乎集中于降低細(xì)胞內(nèi)Tau蛋白水平的方法——主要是神經(jīng)元中毒性修飾的Tau蛋白形式。在細(xì)胞外Tau清除的情況下，疫苗的開發(fā)成為主要目標(biāo)[41]。但這種疫苗應(yīng)在AD發(fā)展的最適宜階段應(yīng)用。目前該疾病的特征在于三個(gè)發(fā)展階段：即與淀粉樣蛋白病理學(xué)有關(guān)的無癥狀階段；從非癡呆到輕度認(rèn)知障礙的轉(zhuǎn)變階段，與Tau病理有關(guān)；第三階段涉及癡呆的發(fā)展并與神經(jīng)元死亡和神經(jīng)膠質(zhì)激活（炎癥）有關(guān)。一旦Tau病理學(xué)顯而易見，使用化合物抗淀粉樣蛋白病理學(xué)可能不再合適。而且，在神經(jīng)元死亡后，使用化合物對(duì)Tau病理學(xué)可能也無用。因此，應(yīng)及時(shí)處理每一階段的病理，明確早期生物標(biāo)志物，從而在疾病發(fā)作早期進(jìn)行治療。

目前AD的治療重點(diǎn)主要集中在Aβ和Tau兩個(gè)目標(biāo)。然而，其他尚待確定的因素也可能導(dǎo)致疾病發(fā)生。在這方面，潛在的新因素值得關(guān)注。這些可能的新因素包括可能與Aβ或Tau病理相關(guān)的過程有關(guān)的腦體細(xì)胞突變。例如，一些報(bào)道提及AD患者腦組織中的單核苷酸變異[42]。再者與AD的出現(xiàn)相關(guān)的插入、刪除和轉(zhuǎn)座子也值得關(guān)注[43,44]。此外，還應(yīng)進(jìn)一步分析表觀遺傳變化，尋找替代療法[45]，從而為AD的治療提供新方向。