tau蛋白与阿尔茨海默病



tau蛋白与阿尔茨海默病

王亚男1余意1冯成强1

(中药资源保护与利用北京市重点实验室，北京100875)

〔关键词〕Tau蛋白；阿尔茨海默病；抑制剂

1北京师范大学资源学院资源生态与中药资源研究所

第一作者：王亚男(1988-)，女，硕士，主要从事阿尔茨海默病研究。

阿尔茨海默病(AD)是最常见的老年期痴呆综合征，其主要病理特征之一为tau蛋白引起的细胞内神经纤维缠结(NFTs)〔1〕，研究tau蛋白是探讨治疗AD病变的基础。近年来，以tau蛋白作为AD治疗靶点的药物研究受到越来越多的关注，特别是针对tau蛋白聚集新型抑制剂的研究取得初步进展。

1tau蛋白

微管系统是神经细胞的骨架组分，与有丝分裂、细胞内转运、细胞特性及细胞标志等多种功能有关。微管由微管蛋白和微管相关蛋白组成，tau蛋白是一种含磷量最高的微管相关蛋白，具有合成和稳定神经元细胞、骨骼的作用，且脑内tau蛋白磷酸化和去磷酸化的平衡维持着微管的稳定〔2~4〕。

1.1tau蛋白的分子生物学特征tau蛋白是微管相关蛋白的主要成分，其编码基因定位于17号染色体〔5〕。正常情况下广泛存在于神经元内，因其与轴突的结合力比与胞体或树突的结合力强，所以在脑内主要集中在神经元轴突中。

tau蛋白不具备规则的蛋白质二级结构，其一级结构具有重复串联序列，即“Pro-Gly-Gly-Gly”。这些具有重复串联序列的区域与双螺旋细丝(PHFs)结合，导致PHFs发生不可逆的聚合，从而形成NFTs，高度磷酸化的tau蛋白就是组成PHFs的主要亚单位〔6〕。在成人脑中tau蛋白存在6种同工异构体，每个tau蛋白的异构体都有靠近C端的3 或4个与微管结合的重复区，其中具有4个重复区的tau 蛋白(4R tau)，比只有3个重复区的tau 蛋白(3R tau)与微管结合能力更强〔7〕。

1.2tau蛋白的生理学功能tau蛋白的主要功能包括两个方面：①促进微管的形成。tau 蛋白结合的微管蛋白可作为微管组装早期的核心，进而促进其他微管蛋白在此核心上延伸聚集形成微管。②保持微管的稳定性，对维护细胞骨架发挥重要作用。

2tau蛋白与AD的关系

AD公认的神经组织学病理特征是：神经细胞间大量的由β淀粉样蛋白(Aβ)形成的老年斑(SP)、神经细胞内的NFTs〔8〕。其中NFTs就是由tau蛋白引起的。研究发现，除AD外，在帕金森病、人额颞骨痴呆及震颤性麻痹、进行性核上麻痹、皮克病等20多种有痴呆症状的神经系统疾病都有tau蛋白的异常磷酸化和基因缺陷，统称为tau蛋白病〔9，10〕。在AD患者脑中，tau 蛋白过度磷酸化，与微管结合能力下降，一方面通过促使微管解聚，破坏细胞骨架；另一方面，tau蛋白本身也可以聚集成PHFs，形成细胞内NFTs，对神经细胞造成损伤，从而损害患者的认知记忆功能。

NFTs的毒性效应可能是神经元内大量原纤维物质聚集造成的，这种物质会对细胞功能如轴突运输产生直接干扰，NFTs也会在疾病的发展过程中使tau蛋白和其他蛋白分离，从而强化和放大tau蛋白正常功能的丢失〔11〕。此外，转基因(P301S)tau蛋白病模型小鼠的研究揭示突触丢失和神经胶质细胞活性丧失发生在NFTs出现之前，可能是由于tau蛋白异常磷酸化导致运输障碍引起的〔12〕。

此外，Aβ蛋白的聚集与tau蛋白病理改变之间存在协同作用〔13〕，在Aβ引起的级联反应下游，tau蛋白代谢异常是引起神经元功能退化乃至凋亡的重要原因之一〔14〕。Roberson等〔4〕将tau基因敲除小鼠和淀粉样前体蛋白(APP)转基因小鼠杂交后，发现降低tau蛋白水平可以保护神经元细胞抵抗过量Aβ产生的细胞毒性，上述研究揭示AD的病理机制中Aβ神经元毒性需要tau蛋白来介导。

3tau蛋白聚集抑制剂的最新研究

tau蛋白在AD的发病机制中起着关键作用，因此，以tau蛋白为靶点治疗AD或控制AD发病进程的研究受到越来越多研究人员的关注。近些年来，新技术的引用(如，计算机辅助药物设计)促进抑制tau蛋白聚集药物的研究，特别是对具有较高生物活性的抑制肽的研究取得突破性进展。

3.1tau蛋白非天然抑制肽设计与筛选研究〔15〕表明AD患者神经细胞内的NFTs是由tau蛋白纤维化形成的，并已证明tau蛋白的305~311氨基酸残基(VQIVYK)是整个蛋白质形成纤维的重要部分，且它本身依靠生物物理特性就能形成类似完整的tau蛋白纤维。

Sievers等〔16〕通过计算机辅助药物设计发现了一种新型的抑制tau蛋白聚集的非天然抑制肽，抑制tau蛋白的VQIVYK段形成纤维的过程。研究人员设计出最大限度地提高氢键和整个界面疏水相互作用的候选肽段，所设计的抑制肽和拉链末端之间紧密结合以阻止其他片段加入纤维。筛选出符合的4个D型多肽分别为：D-TLKIVW，D-TWKLVL，D-DYYFEF和D-YVIIER(α碳原子是D型)，其中D-TLKIVW最为有效。研究中发现，VQIVYK拉链模板设计的D 型多抑制剂不仅抑制tau蛋白的VQIVYK片段，也抑制其K12和K19两个片段。

3.2tau蛋白非天然抑制肽特性的研究Sievers等〔16〕使用荧光光谱技术和电子显微镜来分析不同浓度的D-TLKIVW对延迟VQIVYK、K12、K19形成纤维的效果，发现不同浓度的D-TLKIVW都可以延迟VQIVYK、K12、K19形成纤维，但延迟程度具有浓度依赖性，不同浓度的D-TLKIVW延迟效果不同。接着，Sievers等〔16〕检测D-TLKIVW的乱序突变体(D-TIKWVL，D-TIWKVL和D-LKTWIV)对抑制VQIVYK、K12、K19形成纤维的效果，发现这些乱序突变体对VQIVYK、K12、K19没有抑制效果，揭示抑制作用是序列特异性的，并且发现其非对映异构体L-TLKIVW不及D-TLKIVW有效。

因为Aβ纤维形成也与AD发病有关，Sievers等〔16〕研究D-TLKIVW对Aβ纤维形成的影响，发现D-TLKIVW不能阻断Aβ纤维的形成。这说明D-多肽抑制剂并不是对多数淀粉样系统适用，而是专一地与tau蛋白中的VQIVYK表面相互作用，这样的特异性可以防止对自然状态下的淀粉样蛋白产生抑制。

Sievers等〔16〕通过电子显微镜观察到抑制剂D-TLKIVW与tau片段K19相互作用的位置，证实其对抑制tau蛋白聚集的作用效果。并且作为检测，用D-Ala替换D-TLKIVW中的D-Leu残基，发现抑制效果不明显，说明2号亮氨酸对阻止tau纤维形成十分重要。

4总结与展望

微管相关蛋白tau蛋白异常引起的NFTs是AD的发病机制之一，因此研究tau蛋白结构和相关发病机制对AD的防治具有重要意义。Sievers等〔16〕研究设计的tau蛋白的非天然抑制肽具有浓度依赖性、序列特异性、构象特异性、作用对象专一、结合位置固定、结合位点专一的特性，这一研究成果对于AD致病机制的阐明和tau蛋白聚集抑制剂的设计具有非常重要的意义。①这种结构基础法使研究人员可以不基于天然结构进行设计抑制剂，即使缺乏对淀粉样蛋白天然结构的认识，也能设计出治疗针对该种淀粉样蛋白导致的相关疾病的药物；②该项研究结果显示，利用目前的计算机模拟技术可以设计特定的抑制剂用以防止其他类型的淀粉样蛋白形成纤维。但该研究未进行细胞实验和动物体内实验，药物的可行性与有效制剂问题亟待进一步研究，因为对于针对中枢神经系统的药物需要透过血脑屏障才能起效。

随着tau蛋白非天然抑制肽的研究，寻找tau蛋白的天然抑制肽可能成为研究tau蛋白抑制剂的新方向，并且进一步进行细胞实验和动物体内实验，验证其效果；另外近年来研究发现，包括AD在内的tau蛋白病均可见异常tau蛋白聚积在细胞胞体和树突内，形成tau包涵体并出现轴突的退行性变性，这个发现为退行性神经病变的研究提供了新的角度。所以研究tau蛋白异常导致的神经原纤维退行性病变的分子机制是探讨治疗退行性神经病变的基础，将对包括AD在内的tau蛋白病发病机制及诊治产生重要影响。

5参考文献

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刘超，闵苏.Tau蛋白的研究进展〔J〕.临床麻醉学杂志，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邱玉华，窦非.分子伴侣作为阿尔兹海默病治疗靶标的研究进展〔J〕.东南大学学报(医学版)，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〕

(编辑王一涵)

通讯作者：冯成强(1971-)，男，高级工程师，博士，硕士生导师，主要从事分子生物学研究。

基金项目：北京市教育委员会共建项目建设计划资助项目(SYS10027043)

〔中图分类号〕R363

〔文献标识码〕A

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