Tau蛋白多種翻譯后修飾對(duì)阿爾茨海默病發(fā)病機(jī)制的影響

劉翔宇，羅洪斌,2*，袁德培,2，陳 瑋，牟南樵，謝文執(zhí)，商 楠

1. 湖北民族學(xué)院醫(yī)學(xué)院(湖北 恩施 445000)2. 湖北民族學(xué)院神經(jīng)精神共患病研究所(湖北 恩施 445000)

·綜述·

Tau蛋白多種翻譯后修飾對(duì)阿爾茨海默病發(fā)病機(jī)制的影響

劉翔宇1，羅洪斌1,2*，袁德培1,2，陳 瑋1，牟南樵1，謝文執(zhí)1，商 楠1

1. 湖北民族學(xué)院醫(yī)學(xué)院(湖北 恩施 445000)2. 湖北民族學(xué)院神經(jīng)精神共患病研究所(湖北 恩施 445000)

Tau作為一個(gè)重要的微管相關(guān)蛋白在微管的組裝、維持微管穩(wěn)定性和神經(jīng)元正常形態(tài)與功能等方面發(fā)揮了重要作用。最近研究表明，Tau蛋白通過(guò)mRNA多元剪接、翻譯后修飾等途徑參與了神經(jīng)元的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)以及神經(jīng)生長(zhǎng)發(fā)育和神經(jīng)元的可塑性等功能調(diào)節(jié)。Tau 如果發(fā)生基因突變、異常剪接、翻譯后異常修飾均可導(dǎo)致阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease, AD)等神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生，這些統(tǒng)稱為T(mén)au病變。同時(shí)這些異常改變還可調(diào)節(jié)正常神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)與功能。本文綜述近年來(lái)Tau蛋白多種翻譯后修飾類(lèi)型及這些修飾對(duì)AD發(fā)病機(jī)制的影響及相關(guān)性研究。

Tau 翻譯后修飾；結(jié)構(gòu)；功能；AD

Tau蛋白為微管相關(guān)蛋白，主要存在于神經(jīng)元中，參與微管的組裝并維持微管穩(wěn)定性，也是阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)腦內(nèi)神經(jīng)纖維纏結(jié)的重要組成成分。近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，該骨架蛋白由于其特殊的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其發(fā)生了較為豐富的翻譯后修飾，且與AD等很多神經(jīng)退行性疾病發(fā)生有關(guān)，有必要對(duì)其綜合了解，以探索其與疾病發(fā)生機(jī)制的相關(guān)性。

1 Tau的分子多態(tài)性

人類(lèi)的Tau基因位于17q21，具有16個(gè)外顯子，通過(guò)mRNA的不同選擇性剪接，已發(fā)現(xiàn)Tau有6種不同的亞型[1-2]，這些亞型大多由352～441個(gè)氨基酸殘基組成，分子量約為37～46KDa。

在成年人大腦中Tau的外顯子2、3、10可變剪切可產(chǎn)生6種亞型，包括N端不嵌入或者嵌入1到2個(gè)氨基酸末端結(jié)構(gòu)以及在C端嵌入3個(gè)或4個(gè)微管結(jié)合結(jié)構(gòu)域(即0N/3R、0N/4R、1N/3R、1N/4R、2N/3R、2N/4R，在可逆剪切區(qū)中有外顯子10時(shí)即4R，沒(méi)有外顯子10時(shí)即3 R)。在成人大腦中3R-Tau和4R-Tau比例為1∶1，這種比例的變化影響到AD等神經(jīng)退行性病變的發(fā)生。在人類(lèi)17號(hào)染色體中，已報(bào)道Tau基因有34種突變，這些突變位于其第1、9、10、11、12、13號(hào)外顯子[3-5]。其中有17個(gè)突變體位于微管結(jié)合結(jié)構(gòu)域。這些突變可明顯增加4R-Tau的生成，其中AD腦的神經(jīng)纖維纏結(jié)(Neuronfibrillary tangle, NFT)中發(fā)現(xiàn)4R-Tau數(shù)量明顯增加[6]，體外研究也證明4R-Tau更容易被相關(guān)蛋白激酶磷酸化[7]，同時(shí)Tau的DNA序列中內(nèi)含子發(fā)生突變可通過(guò)基因表達(dá)調(diào)控導(dǎo)致4R-Tau與3R-Tau比例改變，而這種改變是造成神經(jīng)退行性疾病發(fā)病的關(guān)鍵因素[8-9]。

2 Tau蛋白的生物學(xué)功能

人腦中的Tau由投射結(jié)構(gòu)域和微管結(jié)合結(jié)構(gòu)域這兩部分組成，前者位于N端，占整個(gè)分子2/3，后者位于C端，占整個(gè)分子1/3。其功能包括增加微管的組裝能力、維持微管的穩(wěn)定性等，其對(duì)神經(jīng)元的軸突運(yùn)輸至關(guān)重要。此外，Tau還通過(guò)與其它蛋白發(fā)生相互作用使其在神經(jīng)元正常結(jié)構(gòu)的形成和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中扮演著十分重要的角色，如Tau通過(guò)磷酸化參與了神經(jīng)元活性和生存的調(diào)節(jié)[10-11]。

Tau的投射結(jié)構(gòu)域是由微管表面投射而來(lái)，其N(xiāo)端富含酸性氨基酸，C端富含脯氨酸。該投射結(jié)構(gòu)域確切功能至今尚不明了。由于該結(jié)構(gòu)域能與一些如神經(jīng)微絲蛋白等骨架蛋白相互作用(該神經(jīng)微絲蛋白能維持神經(jīng)元正常結(jié)構(gòu)和軸突正常直徑)[12]，因此有人認(rèn)為該結(jié)構(gòu)域可能決定樹(shù)突中微管和軸突中微管之間的間距。

Tau微管結(jié)合結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)基因包含3或4個(gè)重復(fù)序列(其包含31～32個(gè)堿基序列)。這些重復(fù)序列中有18個(gè)位點(diǎn)對(duì)微管具有很強(qiáng)的結(jié)合能力[13]并促進(jìn)微管組裝。在微管的組裝起始階段，微管必須有一個(gè)小的微粒聚集成核現(xiàn)象(即成核現(xiàn)象)。在促進(jìn)微管成核過(guò)程中，Tau與微管的結(jié)合能促進(jìn)微管的延伸與穩(wěn)定。Tau與微管的結(jié)合有兩種方式：當(dāng)Tau與已組裝好的微管在一起時(shí)，Tau則結(jié)合在微管表面[14]；若Tau與未組裝好的微管放在一起時(shí)，Tau則嵌入正在組裝的微管成為一體結(jié)構(gòu)[15]。無(wú)論用哪一種方法結(jié)合，Tau總是能通過(guò)微管結(jié)合域即由外顯子9-12的重復(fù)序列所編碼的肽鏈C端來(lái)結(jié)合[16]。由于Tau與微管結(jié)合的區(qū)域與其它蛋白(如驅(qū)動(dòng)蛋白)結(jié)合域重疊，所以Tau蛋白的過(guò)表達(dá)可抑制依靠驅(qū)動(dòng)蛋白運(yùn)輸?shù)募?xì)胞器如線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、溶酶體等的移動(dòng)。此外，Tau與其他微管蛋白具有同源性且功能相似，所以敲除Tau的動(dòng)物還能繼續(xù)存活[17]。

3 Tau的翻譯后修飾類(lèi)型及其生物學(xué)效應(yīng)

在神經(jīng)元的發(fā)育過(guò)程中，Tau會(huì)發(fā)生多種類(lèi)型的翻譯后修飾，如磷酸化、糖基化、糖化、甲基化、乙?；⑾趸?、泛素化、SUMO化及其C端剪切等。隨著更多的Tau蛋白修飾在AD等神經(jīng)退行性疾病中被發(fā)現(xiàn)，其修飾對(duì)其功能的影響研究正日益受到人們關(guān)注。

3.1 Tau的磷酸化 磷酸化修飾是蛋白質(zhì)修飾中最常見(jiàn)修飾類(lèi)型，也是Tau修飾中研究最多的類(lèi)型。在AD腦內(nèi)Tau的磷酸化水平是正常同齡人的3～4倍[18]。Iqbal等[19]的研究發(fā)現(xiàn)，NFT的主要組分為雙螺旋微絲(Paired helical filament, PHF)，而PHF主要成分就是異常過(guò)度磷酸化的Tau。Tau的過(guò)度磷酸化在許多神經(jīng)退行性病變中特別是在AD中所起的作用已被廣泛報(bào)道。磷酸化的Tau可通過(guò)調(diào)控發(fā)育，在胚胎期和產(chǎn)后早期Tau蛋白磷酸化水平表達(dá)較高(此時(shí)的Tau為3R-Tau，與微管的結(jié)合力較為疏松，有利于微管重塑)，胚胎期Tau的磷酸化修飾位點(diǎn)與AD中的磷酸化位點(diǎn)相同(均為T(mén)hr181、Ser189、Ser202、Thr217、Thr231、Ser235、tyr394、Ser396、Ser400、Thr403和Ser404等)。AD等神經(jīng)退行性病變中Tau的過(guò)度磷酸化有可能與神經(jīng)發(fā)育和退化有一種內(nèi)在固有聯(lián)系。Ittner A等[20]報(bào)道Tau蛋白磷酸化起始對(duì)神經(jīng)元具有保護(hù)作用，而Aβ攻擊這種保護(hù)作用直至這種功能逐漸丟失；Aβ對(duì)神經(jīng)元產(chǎn)生的毒性，起始的Tau磷酸化實(shí)際上是降低這種毒性。Andorfer等[21]也發(fā)現(xiàn)Tau過(guò)度磷酸化可作用于細(xì)胞周期蛋白激酶從而誘導(dǎo)神經(jīng)元周期分裂，他們認(rèn)為神經(jīng)元接收不良信號(hào)產(chǎn)生Tau蛋白磷酸化時(shí)將激活神經(jīng)元的重塑性。

過(guò)度磷酸化的Tau是否有神經(jīng)毒性已爭(zhēng)論多年。根據(jù)現(xiàn)有研究數(shù)據(jù)推測(cè)：反應(yīng)性、一過(guò)性的Tau過(guò)度磷酸化對(duì)神經(jīng)元有保護(hù)作用，而持續(xù)的過(guò)度磷酸化Tau的聚集才是神經(jīng)退行性病變的重要原因。其過(guò)度磷酸化常由相關(guān)蛋白激酶上調(diào)或蛋白磷酸酶下調(diào)所引起，且這些激酶和磷酸化酶的活性又受到Tau的磷酸化影響，導(dǎo)致這些激酶和磷酸化酶構(gòu)像改變影響其活性，二者具有相互促進(jìn)作用，因?yàn)橄攘姿峄腡au可為這些激酶磷酸化導(dǎo)致其活性改變提供良好的基礎(chǔ)[22-23]。相關(guān)蛋白激酶主要有GSK-3、Cdk5、JNK、CK1、AMPK、MARKs、PKA；而主要磷酸酶有PP1、PP2A、PP2B、PP5等[24]。他們的作用順序是PKA-Cdk5-Dyrk1A，使Tau初步磷酸化，促進(jìn)下游GSK-3活性上調(diào)使Tau過(guò)度磷酸化，PI3K、PKB、PKC可抑制GSK-3。PP2A使過(guò)度磷酸化的Tau去磷酸化，同時(shí)PP2A可抑制GSK-3活性，而GSK-3同樣也抑制PP2A活性。PP2A活性還受自身結(jié)構(gòu)影響，當(dāng)Leu309發(fā)生甲基化修飾后則激活PP2A，而Tyr307發(fā)生磷酸化則使PP2A失活。過(guò)度磷酸化的Tau形成PHF后解聚正常微管相關(guān)蛋白，擾亂細(xì)胞動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，阻斷細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)交換，抑制泛素-蛋白酶體活性引起聚集，最后形成神經(jīng)退行性變[25]。

3.2 Tau的乙?；?Min等研究發(fā)現(xiàn)[26]AD腦內(nèi)Tau蛋白發(fā)生了乙酰化修飾，且這種修飾可抑制過(guò)度磷酸化Tau的降解并促進(jìn)Tau的病理改變。在此病理改變中早期AD患者腦內(nèi)Tau的乙?；揎椝绞巧险{(diào)的，同時(shí)組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶(p300)和去乙酰化酶(SIRT1)參與了該修飾；敲除SIRT1后Tau的乙?；缴咔疫^(guò)度磷酸化Tau也增多，這可能是通過(guò)阻礙泛素-蛋白酶降解系統(tǒng)而發(fā)生。當(dāng)抑制p300活性后可促進(jìn)Tau去乙酰化從而改善Tau異常過(guò)度磷酸化，提示通過(guò)調(diào)節(jié)Tau的乙?；揎椏赡苁侵委烝D的一個(gè)有效途徑。

3.3 Tau的糖基化 糖基化是指寡糖在糖基轉(zhuǎn)移酶作用下共價(jià)連接到蛋白質(zhì)側(cè)鏈上的一種翻譯后修飾。根據(jù)糖苷鍵連接位置不同分為N-端和O-端糖基化。Liu等[27]研究發(fā)現(xiàn)PHF中的Tau糖基化增強(qiáng)，而異常糖基化可促進(jìn)Tau的過(guò)度磷酸化，其機(jī)制是通過(guò)上調(diào)PKA、GSK-3β、CDK5活性，促進(jìn)Tau磷酸化，同時(shí)抑制PP2A、PP5使其不能去磷酸化；用糖類(lèi)內(nèi)切酶(F/N-糖苷酶-F)可使PHF去糖基化，去糖基化的PHF也發(fā)生了去磷酸化，使Tau得以加速釋放，緩解AD發(fā)生[28]。但也有研究[29]發(fā)現(xiàn)AD腦中由乙酰葡糖胺轉(zhuǎn)移酶介導(dǎo)的α-N乙酰糖胺糖基化減少，由于α-N-糖基化與磷酸化有共同的絲/蘇氨酸修飾位點(diǎn)，所以認(rèn)為AD腦中α-N-糖基化減少或許是過(guò)度磷酸化引起的。這就產(chǎn)生一種新的假說(shuō)：葡糖糖的攝取/代謝受損使Tau的α-N-糖基化減少并促進(jìn)Tau的過(guò)度磷酸化，從而導(dǎo)致AD發(fā)生，這可能是AD另一個(gè)發(fā)病機(jī)理。

3.4 Tau的糖化作用 糖化是指糖在無(wú)酶的作用下連接到蛋白質(zhì)側(cè)鏈上。有研究發(fā)現(xiàn)AD腦中PHF被糖化修飾[30]，正常腦則沒(méi)有這種修飾。糖化作用與疾病的早期進(jìn)程相關(guān)且加強(qiáng)了PHF的生成[31]。糖化還會(huì)引起氧化反應(yīng)，最終形成高級(jí)糖化終產(chǎn)物(AGE)，而AGE大量存在于老年斑(Senile Plaque, SP)、NFT以及血清和腦脊液中且對(duì)培養(yǎng)的神經(jīng)細(xì)胞有毒性作用[32]，提示：血清和腦脊液中AGE含量是檢測(cè)AD的一個(gè)重要生物標(biāo)志物。

3.5 Tau的泛素化和蛋白酶體降解作用 已有研究[33]發(fā)現(xiàn)PHF能被泛素化修飾，通過(guò)E1泛素激活酶、E2泛素結(jié)合酶、E3泛素連接酶完成此修飾過(guò)程。該修飾主要通過(guò)第6、11、48位Lys發(fā)生泛素化，產(chǎn)生3種修飾，其中Lys-48是主要的泛素化類(lèi)型，該類(lèi)型修飾能引起多泛素化并促進(jìn)靶蛋白降解，而Lys-6的泛素化卻抑制泛素-蛋白酶體的降解作用。而在AD腦中泛素化的Tau則不能被降解而是儲(chǔ)存在NFT中，這表明泛素-蛋白酶系統(tǒng)可能被抑制[34]，這一機(jī)制在Tau的SUMO化修飾研究中得到了很好的解釋。

3.6 Tau蛋白的SUMO化修飾 SUMO是分子量為11.6KDa的小泛素樣修飾分子，可廣泛修飾眾多底物蛋白。2006年Dorval等[35]研究認(rèn)為T(mén)au能被SUMO-1修飾，且Tau的SUMO化修飾特異位點(diǎn)K340位于其微管結(jié)合結(jié)構(gòu)域，可能影響微管形成；該研究還證實(shí)在體外培養(yǎng)的HEK293細(xì)胞中給予能導(dǎo)致Tau磷酸化的OA(okadaic acid)以及能導(dǎo)致微管解聚的秋水仙堿后均可上調(diào)Tau的SUMO化，當(dāng)用蛋白酶體特異性抑制劑MG132抑制蛋白酶體活性時(shí)可降低Tau的SUMO化。本文通信作者研究發(fā)現(xiàn)[25]，在AD腦中Tau被SUM0-1修飾，過(guò)表達(dá)SUMO-1可促進(jìn)Tau的過(guò)度磷酸化，而Tau過(guò)度磷酸化又上調(diào) Tau的SUMO 化，二者相互促進(jìn)，陷入惡性循環(huán)；同時(shí)Tau的SUMO化修飾位點(diǎn)和其泛素化修飾位點(diǎn)在同一位點(diǎn)(K340)，導(dǎo)致過(guò)表達(dá)SUMO-1時(shí)抑制了Tau的泛素化，從而產(chǎn)生抑制作用使磷酸化Tau不能被降解，加上Tau的SUMO化還可促進(jìn)不可溶性Tau的聚積，最終導(dǎo)致NFTs的形成。

3.7 Tau蛋白C末端剪切 在AD的發(fā)病早期Tau的C-末端有剪切現(xiàn)象[36]。在NFTs和AD腦軸突中Tau蛋白Glu391處能被半胱天冬氨酸酶(Caspase)剪切，C末端被切除的Tau比正常Tau有更強(qiáng)的微管組裝潛力[37]。Tau的磷酸化(特別是Tau第Ser 422磷酸化)不僅影響微管組裝能力和穩(wěn)定性，而且影響Caspase的剪切效應(yīng)，這表明Tau的Ser 422位點(diǎn)磷酸化產(chǎn)生的C末端剪切具有神經(jīng)保護(hù)作用。

3.8 Tau的硝基化 Trojanowski’s[38]研究證明AD中Tau能被硝基化修飾，且硝基化的Tau和NFT共定位在AD腦中。Tau硝基化修飾位點(diǎn)有Tyr18、Tyr29、Tyr197和Tyr394，其中第Tyr29位點(diǎn)的硝基化只在AD患者腦中發(fā)現(xiàn)；硝基化Tau明顯降低了微管結(jié)合能力且聚集在AD患者腦內(nèi)；在AD腦海馬中3-NT(3-硝基酪氨酸，一種穩(wěn)定氧化物)明顯增多[39]， 3-NT的升高程度與AD患者認(rèn)知功能減退呈正相關(guān)，這表明Tau的硝基化可能是大腦氧化損傷的結(jié)果。

3.9 Tau的甲基化修飾 Tau的甲基化修飾主要發(fā)生在微管結(jié)合域賴氨酸殘基上[40]，具有促進(jìn)微管結(jié)合和相互作用以及微管聚集的作用，但能抑制磷酸化Tau的聚集。該修飾主要發(fā)生在正常的可溶性Tau中，具有神經(jīng)保護(hù)作用。該研究還發(fā)現(xiàn)Tau的11個(gè)賴氨酸殘基上至少有4種單甲基化或雙甲基化修飾，且甲基化修飾能促進(jìn)神經(jīng)元內(nèi)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)[41]。由于Tau單甲基化修飾位點(diǎn)(Lys254)與泛素化修飾位點(diǎn)在同一位置，且這一修飾是在高度泛素化修飾后更易發(fā)生，具有正協(xié)同效應(yīng)，因此Tau的甲基化可抑制Tau的聚集反應(yīng)。

綜上所述，Tau可發(fā)生多種類(lèi)型的翻譯后修飾，但這些修飾產(chǎn)生的生物學(xué)效應(yīng)則不同。如Tau的過(guò)度磷酸化修飾雖在早期具有保護(hù)作用，但總的生物學(xué)效應(yīng)是負(fù)面的。具有負(fù)性效應(yīng)的修飾類(lèi)型還包括糖基化、糖化、乙?；?、硝基化、SUMO化等修飾。也有另一些類(lèi)型的Tau修飾具有降低Tau蛋白磷酸化水平并促進(jìn)其降解、抑制Tau聚集、維持微管穩(wěn)定性等作用，如多泛素化和Lys 254單甲基化等修飾。也有不同類(lèi)型修飾相互影響，參與了AD的發(fā)生發(fā)展，如AD患者腦內(nèi)PHF中Tau具有SUMO化和磷酸化雙重修飾并相互促進(jìn)，陷入惡性循環(huán)，同時(shí)Tau的SUMO化與其泛素化修飾位點(diǎn)相同，具有拮抗作用，這種惡性循環(huán)和拮抗作用促進(jìn)了磷酸化Tau的聚集。這些不同類(lèi)型的修飾發(fā)生在AD的不同時(shí)期，如磷酸化、C-末端剪切、糖基化一般認(rèn)為發(fā)生在AD早期，而SUMO化、泛素化、糖化則發(fā)生在AD晚期。隨著研究的深入，這些病理學(xué)相關(guān)細(xì)節(jié)和修飾發(fā)生順序還有待進(jìn)一步深入探討。同時(shí)還因Tau的異常修飾在AD的發(fā)生發(fā)展過(guò)程中起著非常重要的作用，也有待深入研究并期待開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的潛在治療藥物。

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責(zé)任編輯：牟冬生

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(81260172，81660223)；湖北民族學(xué)院科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(MY2011T005)；湖北民族學(xué)院博士基金啟動(dòng)項(xiàng)目(MY2012B015)。

劉翔宇，男，在讀碩士研究生，研究方向：中醫(yī)藥在神經(jīng)退行性疾病中的機(jī)制研究；*

羅洪斌，男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病分子機(jī)制研究。

R749.16

A

1008-8164(2017)02-0049-05

2016-06-12