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β-淀粉样蛋白和tau蛋白在阿尔茨海默病中的毒性交互作用

已有 18863 次阅读 2015-7-17 11:52 |系统分类:论文交流| 毒性, 突触, β-淀粉样蛋白, tau蛋白, 支架蛋白

β-淀粉样蛋白和tau蛋白在阿尔茨海默病中的毒性交互作用

Amyloidβ and tau a toxic pas de deux in Alzheimer’s disease

澳大利亚悉尼大学神经精神疾病研究所  LarsM. Ittner  Jürgen Götz

摘要:β-淀粉样蛋白tau蛋白是阿尔茨海默病AD的标志性蛋白,针对其各自的毒性作用形式,已进行了广泛的研究。近期,两者在AD中可能的交互和协同效应已逐步得到阐明。本文将综述相关最新进展,对tau蛋白在AD发病中扮演角色的理解会转变为,tau蛋白是最重要的伙伴。对于tau蛋白细胞功能的理解也日渐深入,关注的焦点已从轴突(作为微管相关蛋白发挥首要作用)转移至树突(介导毒性)

Ittner L,Götz J. Amyloid-β and tau-a toxic pas de deux in Alzheimers disease. Nat RevNeurosci, 2011, 12: 65-72

受全社会人口老龄化的影响,痴呆已成为重要的健康负担。2009年全球登记的阿尔茨海默病AD病例达到3560万,而估计到2050年这一数字将翻番。AD及相关类型痴呆仍无法治愈,目前的治疗方法只能达到中等程度的症状减轻[12]

AD患者脑内除可见神经和突触丧失外,两项标志性的组织病理学损害为淀粉样斑块[β-淀粉样蛋白]和神经原纤维缠结NFT;微管相关蛋白tau的高度磷酸化形态)[3]。仅有tau病变,而无明显病变,为额颞痴呆FTD;也称额颞叶变性,FTLD亚型的特征;FTD65岁以下人群第2位常见的痴呆类型。[4]NFT病变进展并遍及全脑(该过程称扩散,且与AD进展相关[5];而突触丧失作为最早期事件,与患者的功能损害相关[6]

在家族性ADFAD的少数亚型,已发现存在编码淀粉样前体蛋白APP、早老蛋白-1PS1PS2的基因突变[7]。在家族性FTD的某亚型,携带编码tau蛋白(微管相关蛋白tauMAPT的基因突变[8],由此tau蛋白在神经变性疾病中的突出作用得以确立[8]。在散发性ADSAD,载脂蛋白E4APOE4基因多态性及其他基因,也与发病风险增加相关[7]ADFTD患者中上述病理性突变的发现,有助转基因动物模型大量产生[9]。但需特别注意的是,绝大多数AD病例为散发性,其潜在病因仍不明,而目前的AD动物模型并非全面的人类疾病模型,仅模拟了疾病的关键方面。

近期针对AD的发病机制取得了实质性进展,如tau蛋白病变(及其他毒性蛋白)的神经元间扩散和跨脑区扩散[10]。并且人类研究、小鼠研究和体外研究已显示,tau蛋白在AD中发挥毒性作用存在直接关联[11],但其交互作用的分子机制仍未阐明;十余年来,其一直是该领域的关键问题。本文将综述相关最新进展,包括tau蛋白之间复杂的交互作用(特别是在突触部位)及其如何影响AD发病,而这些机制已日渐明朗。

对突触的毒性

APP经分步剪切后形成39-42个氨基酸残基的β-淀粉样肽[1213]易于聚集,产生毒性亚型,包括二聚体、寡聚体和纤丝[14]。虽然这三种形态中何种为毒性亚型尚存争议,但均认为突触(特别是突触后部)毒性作用的主要靶点[6]。相应地,急性处理可致突触和树突棘丧失,多种实验范式下均可诱导长时程抑制LTD和长时程增强LTP[15]。虽然,突触后部可能仅存在单一受体介导毒性,但似乎多种突触后受体均有涉及,如朊毒体prion蛋白、α7-烟碱能受体、代谢型谷氨酸受体mGluR,尤其是N-甲基-D-天冬氨酸受体NMDAR[15-17]。某特定受体介导的毒性,可能未必涉及与受体的直接结合,而是源自对受体属性的间接调控作用(可能是通过膜结合实现)。这便可以解释为何不同的实验设计中,在特定情况下仅结合于特定受体[1819]

有提示,过度刺激NMDAR引发的兴奋性毒性,可能为所致神经元损伤的核心机制,不过尚缺乏NMDAR直接结合的证据[20]。有趣的是,NMDAR可介导诱导的树突棘丧失;而在同样实验条件下,mGluR介导诱导的LTD[15],提示不同受体介导毒性的不同方面。而进一步支持NMDAR毒性中发挥作用的证据是,部分性NMDAR拮抗剂美金刚对AD患者有效[1]

tau蛋白在轴突之外的新功能

tau蛋白包括有三个主要结构域:氨基端投射域projectiondomain、羧基端微管结合MTB重复序列,以及短尾部序列shorttail sequence。人脑中有六种tau蛋白亚型,通过外显子23N-端插入序列)和外显子10的不同剪接方式而形成。外显子10可编码额外的MTB重复序列,生成有3个或4MTB重复序列的亚型[821]

tau蛋白主要在轴突发现,原因在于对其排列机制sorting mechanism并不完全清楚[22-25]。生理状态下,tau蛋白定位于树突,但其水平极低[26]tau蛋白最明确的功能是稳定微管和调控动力驱动的轴突运输[27]。而tau蛋白与皮层膜的交互作用尚未完全了解[2628]。进一步在神经元胞体-树突区somatodendritic domain发现了tau蛋白,是在病理状态下定位于此(下文详述)

理论上,tau蛋白有84个磷酸化位点,在丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸上分别有45个、35个和4个。tau蛋白磷酸化程度在神经元发育期较成熟期更高[29]。磷酸化对tau蛋白功能的影响所知尚少,但已知可负调控tau蛋白与微管的结合。在ADFTD患者,以及tau蛋白转基因小鼠模型中,tau蛋白磷酸化程度增强(即高度磷酸化),同时见于生理性和病理性磷酸化位点(机制未完全阐明),导致其与微管分离[8]。因此认为tau蛋白的功能涉及到微管,如微管的稳定和轴突运输的调控[27];这些功能受损可能导致疾病。高度磷酸化tau蛋白在神经元胞体-树突区聚集、聚合,最终形成NFT[30]。有充分证据表明,可溶性的高度磷酸化tau蛋白在沉积之前,即可促成神经元功能紊乱[31]。进一步显示,高度磷酸化tau蛋白可干扰神经元功能,如影响线粒体呼吸和轴突运输等[2732]

tau蛋白是否为突触后支架蛋白?

tau蛋白通过其MTB重复序列与微管蛋白tubulin结合,而其投射区介导与其他蛋白[如酪氨酸蛋白激酶FYN[2633]、动力蛋白激活蛋白dynactin[34]]的作用。dynactintau蛋白的交互作用,涉及到细胞内转运和(或)肌动蛋白actin与微管的耦联[34]。尽管早在1998年即体外发现FYNtau蛋白交互作用,但其体内相关功能目前仍不清楚[33]。有趣的是,磷酸化tau蛋白和MAPT病理突变的表达产物,体外发现均可导致tau蛋白与FYN交互作用增强[35],提示其可能与疾病相关。FYNtau的交互作用,在体内可易化FYN到突触后位点(即树突)的靶向targeting效应[该效应在tau蛋白敲除tau-/-小鼠中显著减少],随之FYN聚集于神经元胞体[26](图1。在突触后部,FYN可磷酸化NMDAR 2B亚基NR2B,从而介导NMDAR与突触后致密区蛋白95PSD95形成复合体[36]。而兴奋性毒性的下游信号转导,需要NMDARPSD95的交互作用[36]。而减少两者交互作用,tau-/-小鼠则降低针对实验性癫痫和毒性的易感性[2026](图1


1   破坏tau蛋白依赖性FYN树突靶向效应可保护AD小鼠模型神经元免受毒性

生理情况下,tau蛋白位于神经元的轴突和树突(后者水平较低)。酪氨酸蛋白激酶FYN位于树突区,可与tau蛋白交互作用;其还可磷酸化NMDA受体NMDAR,由此介导后者与突触后致密区蛋白95PSD95的交互作用。而这种交互作用正是ADβ-淀粉样蛋白发挥毒性作用所必需,且在淀粉样前体蛋白APP转基因APPtg小鼠中导致兴奋性毒性、记忆受损和未成年死亡。增加tau蛋白水平的转基因小鼠tautg可见tau蛋白聚集于神经元胞体和树突,并伴突触后FYN水平增加。与此相关的是,双重转基因APPtg/tautg+小鼠(粗箭头)毒性增加,较APPtg小鼠死亡率增加。截短的tau蛋白Δtau丧失微管结合特性,无法定位于树突,但可与FYN在神经元胞体交互作用。Δtau针对tau蛋白与FYN的交互作用发挥主导性的负性效应,从而防止FYN到达树突,得以保护APPtg/Δtau小鼠免受毒性。通过基因敲除技术删除tau蛋白tau-/-,可防止tau蛋白依赖性FYN定位到树突,从而保护APPtg/tau-/-免受毒性。tau/Δtau神经元胞体中FYN停留机制的差异,即可解释APPtg/tau-/-/Δtau小鼠中见到的额外保护效应。

重要的是,强化免疫组化方法显示,生理状态的tau蛋白位于树突[26]。这一定位过程有赖于MTB重复序列(最可能是由于微管结合),因为缺乏MTB重复序列的截短tau蛋白Δtau并不结合于微管蛋白,活体中也不会到达树突[26](图1。在tau蛋白介导的FYN靶向树突过程中,Δtau也会发挥主导性的负性效应,而在tau-/-模型中Δtau针对NMDAR介导信号转导发挥同样的效应,包括减轻毒性[26](图1。微管在树突棘呈功能性存在(此为与突触可塑性相关的特征[37]的证据越来越多,继而tau蛋白在正常神经元的突触后部发挥重要的支架功能,这一可能性也大大增加。另一支持上述观点的证据是,tau蛋白与PSD95[26]之间存在强烈的交互作用,后者在NMDAR下游信号转导中即充当突触后支架蛋白的角色[36](图1。总之,虽然tau蛋白主要见于轴突,但新发现的其树突功能对于正常神经元也极为重要,一旦受损即可能导致病变。

tau蛋白的联系

按照淀粉样蛋白级联反应假说,的产生是造成AD病理变化的关键步骤[11]。支持该假说的证据为,FAD患者存在病理性突变,且与生成相关;还有21染色体三体者(携带额外的APP等位基因),其水平和AD发生率均较高[7]。接下来的关键问题就是,tau蛋白在淀粉样蛋白级联反应中处于何种地位?是毒性的首要靶点,中介物,还是某种意义上的旁观者?虽然tau蛋白均可独立发挥毒性作用[38],但在体和离体模型均显示,两者间可能存在三种交互作用模式(图2

促进tau蛋白病变

作用于tau蛋白的模式呈现多个层次,这已有多方面的证据支持。在APP转基因小鼠,生成可致tau蛋白高度磷酸化,而在tau蛋白转基因小鼠,则并无斑块生成[39]。在这两种小鼠的杂交后代,可见NFT病变(而非斑块病变)加重[4041](表1。类似地,tau蛋白转基因小鼠脑内注射合成性NFT病变同样加重[42]。进一步对三重转基因小鼠3xTg-AD小鼠,斑块和NFT病变并见)进行抗免疫,则导致tau蛋白高度磷酸化程度降低[43]。有趣的是,近期研究显示,其他促淀粉样蛋白,如膜本体蛋白2Bintegral membrane protein 2B;也称Bri肽,在英国和丹麦的家族性痴呆患者脑内聚集)也可以相同模式诱导NFT病变,提示NFT生成可由广泛的促淀粉样蛋白诱导,而不限于机制。


2  β-淀粉样蛋白与tau蛋白:三种可能的交互作用机制

a   Aβ通过造成tau蛋白高度磷酸化引起tau蛋白病变,进而介导对神经元的毒性。

b   tau蛋白介导毒性,即毒性强烈依赖于tau蛋白的存在(树突的tau蛋白)

c   Aβtau蛋白针对细胞过程或细胞器发挥协同效应,从而放大各自的毒性效应。

tau蛋白具有毒性协同效应

tau蛋白各自导致的下游毒性效应,分别针对同一系统的不同成分,从而放大了各自的效应。这种交互作用的典型就是AD小鼠模型的线粒体功能障碍,这一发病机制在神经变性中的作用被越来越多的发现[3]。在三重转基因小鼠,tau蛋白均可损害线粒体呼吸,且并见斑块和tau蛋白病变[45]。有趣的是,tau蛋白倾向于损害呼吸链复合体,而阻断复合体依赖性线粒体呼吸,从而导致线粒体损害加重,两种病变叠加,不同于单一过表达tau蛋白或APP的小鼠[45]

tau蛋白介导毒性

tau蛋白对毒性仅具次要作用的观点已受到实质性挑战,观察发现,培养的tau-/-神经元在诱导的细胞死亡过程中得以保存[46]。重要的是,这种保护作用经过两项独立的体内试验的重复验证(采用不同的APP转基因小鼠和tau蛋白缺陷小鼠[2026])(表1。其中一项研究显示,tau蛋白缺陷小鼠对诱导毒性的保护作用源于定位于树突的FYN减少,从而导致NMDARPSD95交互作用削弱,最终减轻了介导的兴奋性毒性[26]。要强调的是,不仅tau-/-Δtau74小鼠(神经元表达Δtau可对抗诱导毒性,某种治疗性肽也可通过破坏NMDAR-PSD95交互作用达到类似效应[26]。以上提示,tau蛋白依赖性树突信号转导在介导毒性中发挥关键作用。有趣的是,减少tau蛋白也可防止诱导的线粒体轴突运输受损[47];而tau蛋白正是通过这种运输方式介导毒性。

关于tau-/-小鼠的注释

首批tau-/-小鼠被报道时,令人吃惊的是并未见到明显的表型[4849]。在某个tau-/-小鼠品系,轴突微管的微管蛋白排列仅轻微改变[48],而从另一个tau-/-小鼠品系获得的原代神经元细胞,其轴突生长也仅轻微延迟[49],原因可能在于微管相关蛋白1AMAP1A代偿了微管稳定作用[48]。而第三个tau缺陷小鼠品系获得的培养神经元,也可见类似的早期轴突形成延迟L.M.IJ.G.未发表研究,在MAPT位点引入了绿色荧光蛋白[50]。有趣的是,老年(而非青年)tau-/-小鼠可见行为改变(如攻击和记忆受损),提示tau蛋白缺乏的代偿机制在早期尚可发挥作用,而晚期则可能失效[51]。这同样也能够解释APP转基因Tg2576小鼠与tau-/-小鼠杂交后代老年期的病理变化[52]。针对tau蛋白处理方式的长期效应是否导致了上述损害加重,尚有待证实。

1  淀粉样蛋白-tau蛋白组合研究

年份

淀粉样蛋白模型

tau蛋白模型

双重或三重转基因小鼠表型

参考文献

2001

Tg2576K670N/M671LAPP695

JNPL3P301L0N4Rtau

ptauNFT

40

2001

合成性142

pR5P301L2N4Rtau

ptauNFT

42

2003

3xTg  ADK670N/M671LAPP695+M146VPS1

P301L0N4Rtau

tau蛋白病变并见

62

2007

APP23K670N/M671LAPP751

针对C57Bl/6小鼠JNPL3P301L0N4Rtau

ptauNFT;晚发病变

63

2007

J20K670N/M671L/V717FAPP751

Tau–/–

防止J20品系记忆损害和未成年死亡

20

2007

J20K670N/M671L/V717FAPP751

Tau–/–

防止诱导的海马NPY表达和钙结合蛋白丧失

64

2008

APPV717IV717IAPP695

tauP301LP301L2N4Rtau

ptauGSK3β活性增强

41

2010

APP152K670N/M671LAPP751+N141IPS2

pR5P301L2N4Rtau

ptauNFT

65

2010

Tg2576K670N/M671LAPP695

Tau–/–

老年小鼠记忆损害加重

52

2010

ADnnPP7795InsTTTAATTTGTBRI2

TauP301S

ptauNFT

44

2010

APP23K670N/M671LAPP751

pR5P301L2N4Rtau

未成年死亡率增加

26

2010

APP23K670N/M671LAPP751

TauGFP/GFPGFP敲入)

防止APP23品系记忆丧失和未成年死亡

26

2010

APP23K670N/M671LAPP751

tau741255aa tau

防止APP23品系记忆丧失和未成年死亡

26

β-淀粉样蛋白;APP:淀粉样前体蛋白;GFP:绿色荧光蛋白;GSK3β:糖原合酶激酶NFT:神经原纤维缠结;NPY:神经肽Yp-tau:磷酸化tau蛋白;tg:转基因

ADtau蛋白轴假说

基于有关tau蛋白的树突功能,及其介导毒性的新发现,为突出tau蛋白在疾病中的核心作用,作者提出新的tau蛋白轴假说,该假说可关联树突区的tau蛋白病变。假说包含以下两部分:

第一,的突触后毒性为tau蛋白依赖性。更确切些,即tau蛋白与FYN交互作用,从而强化FYN到突触后部的靶向作用和(或)支架作用,FYN在突触后部连接NMDAR到下游信号通路(图1。由此使NMDAR增敏,产生的毒性效应。这种tau依赖性毒性作用模式发生于神经元的树突区,涉及到兴奋性毒性信号转导。

第二,神经元暴露于(特别是持续性暴露)具有多种毒性作用。重要的是,进行性增强tau蛋白磷酸化(过度磷酸化)。由此导致tau蛋白与微管结合受损,造成异常神经元的胞体-树突区tau蛋白加速聚集(图3。而且磷酸化tau蛋白与FYN亲和性也增强[35]。总之,以上的后果便是突触后FYN水平升高和NMDAR增敏,使得神经元树突对毒性更加易感。


3  提议的阿尔茨海默病ADtau蛋白轴假说

树突tau蛋白水平进行性升高增加神经元对的易感性

a  AD(或轻度认知损害)的起病特征即为脑内的生成。然而,树突tau蛋白低水平(较之在轴突的高水平)导致神经元对突触(特别是突触后)毒性仅具有限的易感性。

b  随着疾病进展,tau蛋白磷酸化程度增加(受驱动),并聚集于神经元胞体-树突区,导致树突tau蛋白水平进行性升高。

c  AD症状表现充分时,树突区高水平的tau蛋白使神经元对突触后毒性的易感性增加。毒性增加强化了tau蛋白磷酸化及其在胞体-树突区的聚集,从而使突触对毒性的敏感性增加,由此形成恶性循环。

这样看来,淀粉样蛋白级联反应假说是聚焦于,而由于tau蛋白在树突新功能的明确,tau蛋白轴假说将这一关键性作用纳入。是否突触后毒性与tau蛋白磷酸化增强相关,进而形成恶性循环?尚有待确认。另外,虽然来自AD小鼠模型的证据提示,树突毒性是疾病的早期事件,但其在人类疾病中作用仍需明确。

前已述及,减少tau蛋白可防止诱导的线粒体轴突运输受损[47],这便将tau蛋白轴假说与以下两种假说联系起来,即轴突运输受损假说和氧化应激假说。前者认为因tau蛋白诱导而致轴突运输衰竭;后者认为线粒体(轴突运输的关键货物功能受损导致活性氧的生成[55]

未来方向

尽管tau蛋白的作用及其与的交互作用正日渐明朗,但人脑中6tau蛋白亚型的功能仍是有待明确的问题之一。在小鼠中发现,位于树突的tau蛋白具有支架功能,提示这一部位和(或)其他细胞区室可能有多种tau蛋白的支架蛋白伙伴,且不同tau蛋白亚型可能会形成不同的复合物。进一步讲,tau蛋白在细胞质膜中的功能,与其他蛋白联系并最终靶向特定亚细胞区室的机制,均尚未完全阐明[28]

培养神经元的毒性同时具有tau蛋白依赖性和FYN依赖性[4656]。其毒性与特定亚型聚集,并募集tau蛋白至脂筏lipid raft相关联[56]。这可能提示,活体内的脂筏可与tau蛋白在特定的膜区室相联系。进一步还需明确是否FYN的变化对tau蛋白有直接影响。

针对tau蛋白依赖性机制已成为治疗tau蛋白病变(包括AD[2]的适宜策略(治疗AD似需谨慎采用同时针对tau蛋白和的组合手段)。就tau蛋白来讲,降低其水平、破坏NMDAR-PSD95Fyn-Tau交互作用,都是合理的治疗选择[26]。鉴于多数证据提示只有磷酸化tau蛋白才具有毒性[57],降低激酶活性(如糖原合酶激酶-3[5859],或增加磷酸酶活性(如丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酶2A[60],对转基因AD小鼠模型均显示有效,有可能会转化为临床应用。而上述策略降低tau蛋白生理水平的同时,尚需观察是否会对各型细胞产生副作用(如在少突胶质细胞中阻止tau蛋白依赖性FYN定位,可影响髓鞘形成[61]

一百多年前,阿洛伊斯·阿尔茨海默在显微镜下发现淀粉样斑块和NFT的时候,他是否会预见到形成这些病变的蛋白会有如此复杂的功能,又会与疾病的发生有如此紧密的联系呢?


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β-淀粉样蛋白与tau蛋白在阿尔茨海默病中的毒性交互作用(Amyloid?β and tau — a to.pdf




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