Tau蛋白在阿尔茨海默病中的作用研究进展

夏兆云，赵虹，潘露茜，施扬，陆征宇

阿尔茨海默病（Alzheimer's disease，AD）是最普遍的神经退行性疾病，它会引起人格改变、不适当的社会行为和情绪，及认知功能的进行性下降，其中最明显的是严重的记忆丧失。截止到2010年，全球60岁以上的AD患者约有3 500万，并以每20年增加1倍的速度增长，至2050年全球AD患者将达1.3亿[1]。目前AD公认的神经病理学特征是神经细胞间大量由β淀粉样蛋白（Amyloid-β，Aβ）异常沉积形成的老年斑、细胞内神经纤维缠结（Neurofibrillary tangles，NFTs）。其中NFTs由Tau蛋白引起，也被确定为Tau病理学，主要在Tau蛋白病中观察到。Tau蛋白病是一种由于Tau蛋白功能丧失或毒性功能增加而引起功能紊乱的疾病，主要包括如AD、额颞叶痴呆、帕金森病及震颤性麻痹、进行性核上麻痹和慢性创伤性脑病等具有Tau蛋白异常磷酸化和基因缺陷特征的神经系统疾病。一项关于AD小鼠的实验表明，Tau蛋白缺乏不会导致明显的神经死亡或变性[2]。因此，假设像AD这样的Tau蛋白病是由于毒性作用增加的后果，这可能与神经元中修饰或未修饰Tau蛋白的聚集有关。本文重点关注未来的Tau病理学研究，总结AD的其他治疗靶点，因为除Aβ和Tau之外的其他分子可能参与AD的发作，从而能为AD患者的治疗提供新思路。

1 AD的特征是大量的Tau蛋白聚集

Tau蛋白是一种分子量在50～75 kD之间的微管相关蛋白（microtubule associated protein，MAP），主要定位于神经元的轴突。正常情况下，Tau蛋白呈可溶性，与微管蛋白结合以促进微管的聚合和稳定。但在AD患者中，Tau蛋白过度磷酸化使其由可溶变为不可溶，发生病理性聚集，从而导致NFT，并最终导致神经细胞丧失功能、甚至死亡[3]。研究表明，与健康对照组相比，AD患者脑组织中大量Tau蛋白聚集[4]。Tau的聚集可能是由于微管相关蛋白Tau蛋白（microtubule associated protein Tau，MAPT）基因的转录增加，Tau蛋白翻译增加，或Tau蛋白降解不足引起的[5]。在信号传导途径中，哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）作为一种非典型丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，可参与Tau蛋白翻译增加和减少Tau蛋白降解。这一概念主要是通过观察AD患者大脑中mTOR信号的增加来支持的[6]。mTOR的激活通过两个主要机制影响Tau蛋白的调节。一方面与几种关键信号传导途径的相互作用（如PI3K/Akt、GSK-3β、AMPK等），促进Tau病理学的进展[7]。另一方面，mTOR的激活抑制自噬，从而延迟Tau降解和增强Tau聚集体的形成[8]。此外，自噬诱导物（例如雷帕霉素）促进Tau不同形式的降解，并且还防止其在Tau转基因和AD小鼠模型中的毒性[9]。一些报道显示mTOR抑制剂在AD小鼠模型脑中的有益作用[7]。

目前的假设是，Tau蛋白聚集主要由蛋白质降解不足引起，而不是由这种蛋白质表达的增加引起。较低的Tau蛋白周转率可促进各种激酶对Tau蛋白的磷酸化、乙酰化、糖基化或其他翻译后修饰也能导致Tau蛋白的聚集[10]。然而当这些修饰形式存在于神经元中时，它们中的一些有毒。因此，细胞内Tau蛋白的长期寿命（由于较低的周转率）可能有负面后果。此外，由于核MAPT RNA的不同剪接而产生的包含3或4个与微管蛋白结合重复的Tau蛋白亚型的不同比例也可促进Tau蛋白病如亨廷顿病的毒性作用[11]。剪接机制还可产生许多其它不同的Tau亚型，参与神经元毒性。关于蛋白质降解，Tau聚集体可通过两种途径靶向蛋白质清除，即泛素-蛋白酶体系统和自噬-溶酶体系统，后者又包括微自噬、伴侣蛋白介导的自噬和巨自噬三种途径。Tau可在NFT中的KXGS基序上泛素化，并且可通过泛素-蛋白酶体系统或巨自噬进行处理[12]。还有学者使用表达具有FTD-17突变的Tau重复结构域的神经母细胞瘤细胞系，证明Tau聚集体可被巨自噬降解[13]。

2 AD大脑对脑细胞内Tau增加的处理

由于脑中微管蛋白的比例远高于Tau蛋白（或其他MAP），脑Tau蛋白的轻微增加可导致蛋白质与存在于神经元微管中的可用开放位点的额外相互作用。当Tau蛋白的增加通过过量的功能未修饰形式时，这种相互作用将导致聚合微管中的Tau/微管蛋白比率更大。在这种情况下，Tau蛋白的增加也会导致与其他分子或细胞器（如线粒体）竞争相同的微管结合位点[14]。这种竞争可能影响这些细胞器的运输（由微管介导），与其他MAP中的效应类似。

Tau蛋白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细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。神经元Tau蛋白的进一步增加可导致蛋白质亚细胞定位的改变，有利于其定位到体细胞树突间[15]。除了神经元，Tau可内化到其他细胞中。小胶质细胞在体外和体内摄取Tau。在这方面，来自原代培养物的小胶质细胞在体外内化可溶性（人重组Tau42）和不溶性（来自人AD脑的匀浆）Tau。此外，细胞内Tau蛋白水平的增加可能导致其分泌到细胞外[16]，在细胞外它可能对邻近的神经元有毒性，并可在整个大脑中增殖[17]。在这种情况下，Tau蛋白可能以修饰或未经修饰的形式分泌[18]。

解决细胞内Tau蛋白增加的一种策略是通过作用于mTOR途径来降低其表达或增加其降解。研究发现，上调的mTOR与AD脑中总Tau的增加有关，并且雷帕霉素对mTOR的抑制降低体外和体内总Tau的水平[19]。在生理和应激条件下，mTOR信号通路是调控细胞自噬的关键信号途径，外源性应用mTOR抑制剂可能促进神经元的自噬[20]。或者可通过增加微小RNA（microRNAs，miRNAs）的表达来降低Tau蛋白的表达（如miRNA129），从而减少其翻译[21]。

3 细胞外Tau蛋白的功能

细胞内Tau蛋白水平的升高影响其分泌，或在少数情况下导致神经元死亡[16,17]。在这两种情况下，它也会导致细胞外Tau，一种有毒分子的存在[17]。Tau蛋白胞吐作用（分泌）的各种机制已被提出[22]。在某些情况下，可溶性未修饰的Tau蛋白被分泌，而在其他情况下被修饰（磷酸化、聚集等）的Tau蛋白从细胞中释放出来。这种释放是通过裸露形式或通过外来体发生的[16]；然而，也有人提出这种释放通过隧穿纳米管发生[23]。此外，细胞外Tau蛋白还与周围神经元相互作用，可通过多种内源性细胞途径内化。根据Tau蛋白是否处于未修饰或修饰形式，它分别与细胞受体（毒蕈碱受体M1/M3）[17]或细胞外基质成分如硫酸乙酰肝素结合[24]。此外，研究工作应该解决是否涉及其他内噬作用机制[25]。

另外，细胞外Tau蛋白与神经胶质细胞相互作用。本文主要分析Tau蛋白与小胶质细胞的相互作用。小胶质细胞是神经系统重要的免疫细胞，小胶质细胞的活性增强可导致Tau蛋白的过度磷酸化。观察表明，小胶质细胞通过形成含有Tau的外泌体直接与神经元相连参与Tau的扩散[26]。初步数据表明这种相互作用发生在不同的受体与先前描述的神经元的相互作用中，尽管在一小群小胶质细胞中存在毒蕈碱M3受体[27]。

因此，不管细胞内或细胞外Tau蛋白的增加均有可能产生负面后果。在细胞外Tau蛋白的情况下，它可以通过小胶质细胞的作用被清除；然而，这些细胞在Tau蛋白病丧失一些功能特征[28]。虽然阻断Tau蛋白结合所需的细胞受体已被提出[17]，但目前的研究工作主要集中在Tau蛋白疫苗的研发上[29]。预计未来的研究将确定这些疫苗预防细胞外Tau蛋白毒性和繁殖的潜力。

4 神经元细胞中Tau蛋白消除的后果

细胞内Tau蛋白可发挥多种功能已被明确提出。例如，Tau蛋白作为微管蛋白的主要成分，与其他蛋白质如结合在GTP微管蛋白微管末端的EB蛋白相反，表现出对微管蛋白结构的更大结合亲和力[30]。它的存在有利于体外微管的组装，对于降低微管动力学和增加微管稳定性方面也发挥重要作用[31]。此外，Tau蛋白可调节微管中原丝的数量。另一方面，Tau蛋白与EB蛋白的相互作用已被证明可调节发育中神经元轴突的延伸[32]，调节轴突Tau蛋白排序[15]。然而，在Tau蛋白基因敲除（miRNAs广泛的缺乏）小鼠模型中一些Tau蛋白功能因其他蛋白质的存在而得到补充，并且在Tau蛋白缺陷小鼠中神经元分化功能仅仅被延迟但未受损[2]。更具体地说，Tau蛋白的丢失导致觉醒持续时间增加和非快速动眼睡眠减少[33]。此外，Tau蛋白基因敲除小鼠不仅表现出震颤和帕金森病的其他特征，还表现出脑部胰岛素抵抗和心血管功能改变[34-36]。

像AD这样的Tau蛋白病的治疗策略应涉及降低细胞内Tau蛋白水平或清除细胞外Tau蛋白两个方面。小鼠模型显示，蛋白质的缺失不影响生存力或刺激神经内分泌紊乱，因此一种治疗方法是去除整个Tau蛋白[2]。然而，Tau蛋白缺失可能导致Tau缺陷小鼠的某些功能特性丧失。Tau蛋白丢失的主要结果在齿状回存在的新生颗粒细胞顶端树突上被发现。Tau基因敲除小鼠暴露于富集环境（通常发生在野生型小鼠）时，树突棘不生长。此外，在Tau基因敲除野生型小鼠模型中未观察到应激状态下这些顶端树突中树突棘的丢失[37]。这些结果体现Tau蛋白与突触可塑性的相关性，表明该分子是用于正面或负面外部刺激的突触可塑性调节剂[37]。

此外，树突棘中Tau蛋白的存在可调节Aβ在神经元中的毒性作用[38]。Aβ肽、Glu N2B（N-甲基-D-天冬氨酸受体的一个亚基）、酪氨酸激酶fyn和PSD-95（突触后蛋白）参与这一过程[38]。除了Aβ的作用，一种与记忆和学习有关的蛋白质Tau-fyn-GluN2B调节环磷腺苷效应元件结合蛋白活性也被提出[39]。由于AD被认为是突触联症，因此需深入分析Tau蛋白在突触连接中的作用（正面和负面）。但因为许多药物制剂无法穿过血脑屏障，因此使用化合物预防突触缺陷并非易事。尽管如此，一些可渗透血脑屏障的化合物，如睫状神经营养因子的修饰肽，对于挽救突触缺陷仍有重要作用[40]。

5 小结与展望

关于Tau蛋白病理学，目前研究似乎集中于降低细胞内Tau蛋白水平的方法——主要是神经元中毒性修饰的Tau蛋白形式。在细胞外Tau清除的情况下，疫苗的开发成为主要目标[41]。但这种疫苗应在AD发展的最适宜阶段应用。目前该疾病的特征在于三个发展阶段：即与淀粉样蛋白病理学有关的无症状阶段；从非痴呆到轻度认知障碍的转变阶段，与Tau病理有关；第三阶段涉及痴呆的发展并与神经元死亡和神经胶质激活（炎症）有关。一旦Tau病理学显而易见，使用化合物抗淀粉样蛋白病理学可能不再合适。而且，在神经元死亡后，使用化合物对Tau病理学可能也无用。因此，应及时处理每一阶段的病理，明确早期生物标志物，从而在疾病发作早期进行治疗。

目前AD的治疗重点主要集中在Aβ和Tau两个目标。然而，其他尚待确定的因素也可能导致疾病发生。在这方面，潜在的新因素值得关注。这些可能的新因素包括可能与Aβ或Tau病理相关的过程有关的脑体细胞突变。例如，一些报道提及AD患者脑组织中的单核苷酸变异[42]。再者与AD的出现相关的插入、删除和转座子也值得关注[43,44]。此外，还应进一步分析表观遗传变化，寻找替代疗法[45]，从而为AD的治疗提供新方向。