tau蛋白與阿爾茨海默病

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tau蛋白與阿爾茨海默病

王亞男1余意1馮成強(qiáng)1

(中藥資源保護(hù)與利用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100875)

〔關(guān)鍵詞〕Tau蛋白；阿爾茨海默病；抑制劑

1北京師范大學(xué)資源學(xué)院資源生態(tài)與中藥資源研究所

第一作者：王亞男(1988-)，女，碩士，主要從事阿爾茨海默病研究。

阿爾茨海默病(AD)是最常見的老年期癡呆綜合征，其主要病理特征之一為tau蛋白引起的細(xì)胞內(nèi)神經(jīng)纖維纏結(jié)(NFTs)〔1〕，研究tau蛋白是探討治療AD病變的基礎(chǔ)。近年來(lái)，以tau蛋白作為AD治療靶點(diǎn)的藥物研究受到越來(lái)越多的關(guān)注，特別是針對(duì)tau蛋白聚集新型抑制劑的研究取得初步進(jìn)展。

1tau蛋白

微管系統(tǒng)是神經(jīng)細(xì)胞的骨架組分，與有絲分裂、細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)、細(xì)胞特性及細(xì)胞標(biāo)志等多種功能有關(guān)。微管由微管蛋白和微管相關(guān)蛋白組成，tau蛋白是一種含磷量最高的微管相關(guān)蛋白，具有合成和穩(wěn)定神經(jīng)元細(xì)胞、骨骼的作用，且腦內(nèi)tau蛋白磷酸化和去磷酸化的平衡維持著微管的穩(wěn)定〔2~4〕。

1.1tau蛋白的分子生物學(xué)特征tau蛋白是微管相關(guān)蛋白的主要成分，其編碼基因定位于17號(hào)染色體〔5〕。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。

tau蛋白不具備規(guī)則的蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)，其一級(jí)結(jié)構(gòu)具有重復(fù)串聯(lián)序列，即“Pro-Gly-Gly-Gly”。這些具有重復(fù)串聯(lián)序列的區(qū)域與雙螺旋細(xì)絲(PHFs)結(jié)合，導(dǎo)致PHFs發(fā)生不可逆的聚合，從而形成NFTs，高度磷酸化的tau蛋白就是組成PHFs的主要亞單位〔6〕。在成人腦中tau蛋白存在6種同工異構(gòu)體，每個(gè)tau蛋白的異構(gòu)體都有靠近C端的3 或4個(gè)與微管結(jié)合的重復(fù)區(qū)，其中具有4個(gè)重復(fù)區(qū)的tau 蛋白(4R tau)，比只有3個(gè)重復(fù)區(qū)的tau 蛋白(3R tau)與微管結(jié)合能力更強(qiáng)〔7〕。

1.2tau蛋白的生理學(xué)功能tau蛋白的主要功能包括兩個(gè)方面：①促進(jìn)微管的形成。tau 蛋白結(jié)合的微管蛋白可作為微管組裝早期的核心，進(jìn)而促進(jìn)其他微管蛋白在此核心上延伸聚集形成微管。②保持微管的穩(wěn)定性，對(duì)維護(hù)細(xì)胞骨架發(fā)揮重要作用。

2tau蛋白與AD的關(guān)系

AD公認(rèn)的神經(jīng)組織學(xué)病理特征是：神經(jīng)細(xì)胞間大量的由β淀粉樣蛋白(Aβ)形成的老年斑(SP)、神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)的NFTs〔8〕。其中NFTs就是由tau蛋白引起的。研究發(fā)現(xiàn)，除AD外，在帕金森病、人額顳骨癡呆及震顫性麻痹、進(jìn)行性核上麻痹、皮克病等20多種有癡呆癥狀的神經(jīng)系統(tǒng)疾病都有tau蛋白的異常磷酸化和基因缺陷，統(tǒng)稱為tau蛋白病〔9，10〕。在AD患者腦中，tau 蛋白過度磷酸化，與微管結(jié)合能力下降，一方面通過促使微管解聚，破壞細(xì)胞骨架；另一方面，tau蛋白本身也可以聚集成PHFs，形成細(xì)胞內(nèi)NFTs，對(duì)神經(jīng)細(xì)胞造成損傷，從而損害患者的認(rèn)知記憶功能。

NFTs的毒性效應(yīng)可能是神經(jīng)元內(nèi)大量原纖維物質(zhì)聚集造成的，這種物質(zhì)會(huì)對(duì)細(xì)胞功能如軸突運(yùn)輸產(chǎn)生直接干擾，NFTs也會(huì)在疾病的發(fā)展過程中使tau蛋白和其他蛋白分離，從而強(qiáng)化和放大tau蛋白正常功能的丟失〔11〕。此外，轉(zhuǎn)基因(P301S)tau蛋白病模型小鼠的研究揭示突觸丟失和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞活性喪失發(fā)生在NFTs出現(xiàn)之前，可能是由于tau蛋白異常磷酸化導(dǎo)致運(yùn)輸障礙引起的〔12〕。

此外，Aβ蛋白的聚集與tau蛋白病理改變之間存在協(xié)同作用〔13〕，在Aβ引起的級(jí)聯(lián)反應(yīng)下游，tau蛋白代謝異常是引起神經(jīng)元功能退化乃至凋亡的重要原因之一〔14〕。Roberson等〔4〕將tau基因敲除小鼠和淀粉樣前體蛋白(APP)轉(zhuǎn)基因小鼠雜交后，發(fā)現(xiàn)降低tau蛋白水平可以保護(hù)神經(jīng)元細(xì)胞抵抗過量Aβ產(chǎn)生的細(xì)胞毒性，上述研究揭示AD的病理機(jī)制中Aβ神經(jīng)元毒性需要tau蛋白來(lái)介導(dǎo)。

3tau蛋白聚集抑制劑的最新研究

tau蛋白在AD的發(fā)病機(jī)制中起著關(guān)鍵作用，因此，以tau蛋白為靶點(diǎn)治療AD或控制AD發(fā)病進(jìn)程的研究受到越來(lái)越多研究人員的關(guān)注。近些年來(lái)，新技術(shù)的引用(如，計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì))促進(jìn)抑制tau蛋白聚集藥物的研究，特別是對(duì)具有較高生物活性的抑制肽的研究取得突破性進(jìn)展。

3.1tau蛋白非天然抑制肽設(shè)計(jì)與篩選研究〔15〕表明AD患者神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)的NFTs是由tau蛋白纖維化形成的，并已證明tau蛋白的305~311氨基酸殘基(VQIVYK)是整個(gè)蛋白質(zhì)形成纖維的重要部分，且它本身依靠生物物理特性就能形成類似完整的tau蛋白纖維。

Sievers等〔16〕通過計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)了一種新型的抑制tau蛋白聚集的非天然抑制肽，抑制tau蛋白的VQIVYK段形成纖維的過程。研究人員設(shè)計(jì)出最大限度地提高氫鍵和整個(gè)界面疏水相互作用的候選肽段，所設(shè)計(jì)的抑制肽和拉鏈末端之間緊密結(jié)合以阻止其他片段加入纖維。篩選出符合的4個(gè)D型多肽分別為：D-TLKIVW，D-TWKLVL，D-DYYFEF和D-YVIIER(α碳原子是D型)，其中D-TLKIVW最為有效。研究中發(fā)現(xiàn)，VQIVYK拉鏈模板設(shè)計(jì)的D 型多抑制劑不僅抑制tau蛋白的VQIVYK片段，也抑制其K12和K19兩個(gè)片段。

3.2tau蛋白非天然抑制肽特性的研究Sievers等〔16〕使用熒光光譜技術(shù)和電子顯微鏡來(lái)分析不同濃度的D-TLKIVW對(duì)延遲VQIVYK、K12、K19形成纖維的效果，發(fā)現(xiàn)不同濃度的D-TLKIVW都可以延遲VQIVYK、K12、K19形成纖維，但延遲程度具有濃度依賴性，不同濃度的D-TLKIVW延遲效果不同。接著，Sievers等〔16〕檢測(cè)D-TLKIVW的亂序突變體(D-TIKWVL，D-TIWKVL和D-LKTWIV)對(duì)抑制VQIVYK、K12、K19形成纖維的效果，發(fā)現(xiàn)這些亂序突變體對(duì)VQIVYK、K12、K19沒有抑制效果，揭示抑制作用是序列特異性的，并且發(fā)現(xiàn)其非對(duì)映異構(gòu)體L-TLKIVW不及D-TLKIVW有效。

因?yàn)锳β纖維形成也與AD發(fā)病有關(guān)，Sievers等〔16〕研究D-TLKIVW對(duì)Aβ纖維形成的影響，發(fā)現(xiàn)D-TLKIVW不能阻斷Aβ纖維的形成。這說明D-多肽抑制劑并不是對(duì)多數(shù)淀粉樣系統(tǒng)適用，而是專一地與tau蛋白中的VQIVYK表面相互作用，這樣的特異性可以防止對(duì)自然狀態(tài)下的淀粉樣蛋白產(chǎn)生抑制。

Sievers等〔16〕通過電子顯微鏡觀察到抑制劑D-TLKIVW與tau片段K19相互作用的位置，證實(shí)其對(duì)抑制tau蛋白聚集的作用效果。并且作為檢測(cè)，用D-Ala替換D-TLKIVW中的D-Leu殘基，發(fā)現(xiàn)抑制效果不明顯，說明2號(hào)亮氨酸對(duì)阻止tau纖維形成十分重要。

4總結(jié)與展望

微管相關(guān)蛋白tau蛋白異常引起的NFTs是AD的發(fā)病機(jī)制之一，因此研究tau蛋白結(jié)構(gòu)和相關(guān)發(fā)病機(jī)制對(duì)AD的防治具有重要意義。Sievers等〔16〕研究設(shè)計(jì)的tau蛋白的非天然抑制肽具有濃度依賴性、序列特異性、構(gòu)象特異性、作用對(duì)象專一、結(jié)合位置固定、結(jié)合位點(diǎn)專一的特性，這一研究成果對(duì)于AD致病機(jī)制的闡明和tau蛋白聚集抑制劑的設(shè)計(jì)具有非常重要的意義。①這種結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)法使研究人員可以不基于天然結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)抑制劑，即使缺乏對(duì)淀粉樣蛋白天然結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，也能設(shè)計(jì)出治療針對(duì)該種淀粉樣蛋白導(dǎo)致的相關(guān)疾病的藥物；②該項(xiàng)研究結(jié)果顯示，利用目前的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)可以設(shè)計(jì)特定的抑制劑用以防止其他類型的淀粉樣蛋白形成纖維。但該研究未進(jìn)行細(xì)胞實(shí)驗(yàn)和動(dòng)物體內(nèi)實(shí)驗(yàn)，藥物的可行性與有效制劑問題亟待進(jìn)一步研究，因?yàn)閷?duì)于針對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的藥物需要透過血腦屏障才能起效。

隨著tau蛋白非天然抑制肽的研究，尋找tau蛋白的天然抑制肽可能成為研究tau蛋白抑制劑的新方向，并且進(jìn)一步進(jìn)行細(xì)胞實(shí)驗(yàn)和動(dòng)物體內(nèi)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證其效果；另外近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，包括AD在內(nèi)的tau蛋白病均可見異常tau蛋白聚積在細(xì)胞胞體和樹突內(nèi)，形成tau包涵體并出現(xiàn)軸突的退行性變性，這個(gè)發(fā)現(xiàn)為退行性神經(jīng)病變的研究提供了新的角度。所以研究tau蛋白異常導(dǎo)致的神經(jīng)原纖維退行性病變的分子機(jī)制是探討治療退行性神經(jīng)病變的基礎(chǔ)，將對(duì)包括AD在內(nèi)的tau蛋白病發(fā)病機(jī)制及診治產(chǎn)生重要影響。

5參考文獻(xiàn)

1Sergeant N，Brettevill A，Hamdane M，etal.Biochemistry of tau in Alzheimer′s disease and related neurological disorders〔J〕.Expert Rev Proteomics，2008；5(2)：207-24.

2Baksalerska-Pazera M，Niewiadomska G.Structure and role of the tau protein〔J〕.Postepy Biochem，2002；48(4)：287-95.

3Kvetnoǐ IM，Kvetnaia TV，Riadnova IIu，etal.Expression of beta-amyloid and tau-protein in mastocytes in Alzheimer disease〔J〕.Arkh Patol，2003；65(1)：36-9.

4Roberson ED，Scearce-Levie K，Palop JJ，etal.Reducing endogenous tau ameliorates amyloid beta-induced deficits in an Alzheimer's disease mouse model〔J〕.Science，2007；316(5825)：750-4.

5Wang XF，Dong CF，Zhang J，etal.Human tau protein forms complex with PrP and some GSS-and fCJD-related PrP mutants possess stronger binding activities with tau in vitro〔J〕.Mol Cell Biochem，2008；310(1-2)：49-55.

6劉超，閔蘇.Tau蛋白的研究進(jìn)展〔J〕.臨床麻醉學(xué)雜志，2012;28(5)：517-9.

7Perez M，Santa-María I，Tortosa E，etal.The role of the VQIVYK peptide in tau protein phosphorylation〔J〕.J Neurochem，2007;103(4)：1447-60.

8Hof PR，Morrison JH.The aging brain：morphomolecular senescence of cortical circuits〔J〕.Trends Neurosci，2004;27(10)：607-13.

9Jellinger KA.Neuropathological aspects of Alzheimer disease，Parkinson disease and frontotemporal dementia〔J〕.Neurodegener Dis，2008;5(3-4)：118-21.

10Ballatore C，Lee VM，Trojanowski JQ.Tau-mediated neurodegeneration in Alzheimer′s disease and related disorders〔J〕.Nat Rev Neurosci，2007;8(9)：663-72.

11Mondragón-Rodríguez S，Basurto-Islas G，Santa-Maria I，etal.Cleavage and conformational changes of tau protein follow phosphorylation during Alzheimer′s disease〔J〕.Int J Exp Pathol，2008;89(2)：81-90.

12Yoshiyama Y，Higuchi M，Zhang B，etal.Synapse loss and microglial activation precede tangles in a P301S tauopathy mouse model〔J〕.Neuron，2007;53(3)：337-51.

13Delacourte A，Sergeant N，Champain D，etal.Nonoverlapping but synergetic tau and APP pathologies in sporadic Alzheimer's disease〔J〕.Neurology，2002;59(3)：398-407.

14邱玉華，竇非.分子伴侶作為阿爾茲海默病治療靶標(biāo)的研究進(jìn)展〔J〕.東南大學(xué)學(xué)報(bào)(醫(yī)學(xué)版)，2011;30(3)：522-5.

15Sawaya MR，Sambashivan S，Nelson R，etal.Atomic structures of amyloid cross-beta spines reveal varied steric zippers〔J〕.Nature，2007;447(7143)：453-7.

16Sievers SA，Karanicolas J，Chang HW，etal.Structure-based design of non-natural amino-acid inhibitors of amyloid fibril formation〔J〕.Nature，2011;475(7354)：96-100.

〔2014-03-21修回〕

(編輯王一涵)

通訊作者：馮成強(qiáng)(1971-)，男，高級(jí)工程師，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事分子生物學(xué)研究。

基金項(xiàng)目：北京市教育委員會(huì)共建項(xiàng)目建設(shè)計(jì)劃資助項(xiàng)目(SYS10027043)

〔中圖分類號(hào)〕R363

〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕A

〔文章編號(hào)〕1005-9202(2016)03-0740-02；doi：10.3969/j.issn.1005-9202.2016.03.100