阿尔茨海默病（AD）是一种复杂的神经退行性疾病，已成为全球老龄化社会的重要健康挑战之一。AD的主要病理特征包括细胞外的β-淀粉样蛋白（Aβ）沉积和细胞内过度磷酸化的tau蛋白形成的神经原纤维缠结。尽管AD的病因尚未完全阐明，Aβ和tau蛋白在疾病发病机制中的关键作用已得到广泛认可。然而，单一靶向Aβ或tau的治疗策略在临床试验中效果有限，提示AD可能涉及更加复杂的病理机制和调控网络。淀粉样前体蛋白（APP）作为Aβ的前体，在AD研究中占据重要位置。APP不仅在Aβ生成中发挥核心作用，还参与突触功能调节、神经发育和细胞信号传导等多种生物过程。大多数研究集中在APP裂解后产生的产物，如神经毒性的Aβ和神经营养的可溶性APP-α（sAPP-α），以及APP的胞内片段（AICD）。然而，APP的N端结构域作为跨膜蛋白的重要组成部分，可能在AD的病理进程中发挥重要但未被充分重视的作用。近年的研究表明，APP的N端结构域不仅能与多种细胞外分子结合，还可能促进tau蛋白的胞内病理变化。课题组的前期研究发现，APP通过其N端与tau蛋白的结合，促进tau的胞内积累和病理性聚集，从而加剧神经元突触功能障碍。近期研究显示，APP的N端突变，如Val225Ala（APPV225A），与临床上tau病理加重和认知功能损害密切相关。虽然此突变位于APP的N端，远离Aβ编码区，但研究表明，APPV225A通过改变APP的结构和功能，显著影响其与tau蛋白的相互作用，进而促进tau蛋白病理性聚集。
2024年11月，浙大城市学院/贵州医科大学谭俊教授团队和中国科学技术大学申勇教授合作，在Molecular psychiatry杂志以封面形式在线发表了题为“Pathogenic APP N-terminal Val225Ala mutation exacerbates tau pathology and synaptic damage”的研究文章。该研究发现APPV225A突变通过增强APP与tau蛋白的结合，促进细胞内tau的液-液相分离（LLPS）及磷酸化，进而加剧AD病理和突触损伤。通过细胞实验、hiPSCs衍生的脑类器官及小鼠模型，研究发现这种突变引发的病理性tau变化可通过tau敲低缓解。此研究为APP N端在AD中的作用提供了新证据，并为新型阿尔茨海默病疗法的开发指明了潜在靶点。
本研究深入探讨了APPV225A突变通过改变tau蛋白的相互作用、液-液相分离（LLPS）及内吞过程对tau病理的影响，并揭示了这一突变在阿尔茨海默病（AD）发病机制中的潜在作用。通过生物素化标记和流式细胞术分析，研究发现APPV225A突变显著加速了细胞膜上APP的内吞过程，且tau蛋白的内吞量在APPV225A突变组中增加了约两倍。进一步的3D全息显微镜分析验证了这一现象，显示APPV225A突变增强了APP与tau的结合，并促进tau蛋白的内吞和细胞内摄取。为进一步探讨APPV225A突变对tau蛋白液-液相分离的影响，在无细胞系统中进行了实验，发现APPV225A突变显著促进了tau液滴的形成，并表现出浓度依赖性。定量分析显示，相较于野生型APP，APPV225A突变加速了tau的液-液相分离，并在细胞内也表现出类似的效应。共聚焦显微镜和荧光恢复后成像（FRAP）实验进一步确认了tau液滴的动态变化，并揭示了APPV225A突变在tau病理的早期阶段中的促进作用。在hiPSCs衍生的神经祖细胞（NPCs）和神经元中，APPV225A突变导致tau蛋白的病理性积累，并引发显著的细胞损伤。研究表明，APPV225A突变导致突触标志物如PSD95和SYN1的表达显著下降，而tau敲低则能部分恢复神经元存活并改善突触损伤。电生理学分析显示，APPV225A突变显著降低了微小兴奋性突触后电流（mEPSC）的频率和幅度，表明这一突变对突触功能造成了显著抑制。此外，APPV225A突变在iPSCs衍生的脑类器官中导致p-tau231水平显著升高，突触密度显著下降，神经元损伤明显，这些损伤同样可以通过tau敲低得到恢复。多电极阵列（MEA）分析进一步证明，APPV225A突变改变了脑类器官的电生理特性，表现为尖峰频率和放电率的显著降低。在小鼠模型中，APPV225A突变导致海马区p-tau231水平显著升高，并引发突触数量的减少和树突棘密度的下降。电生理学记录进一步证明，APPV225A突变抑制了神经递质的释放并损害了突触功能，这一现象揭示了tau病理与神经功能障碍之间的密切关系。最后，利用MiniTurboID接近标记技术，研究发现APPV225A突变显著改变了与tau病理相关的蛋白质交互组，特别是与神经元转运通路相关的蛋白质。分析结果表明，这些蛋白质的变化可能通过破坏tau稳态，进一步加剧tau病理和突触损伤。
这项研究首次揭示了APPV225A突变在阿尔茨海默病（AD）病理中的关键作用。研究表明，APPV225A突变通过增强APP与tau蛋白的结合，促进tau液-液相分离（LLPS）和磷酸化，导致tau的异常聚集和突触损伤。tau敲低可部分缓解由APPV225A引发的病理变化，验证了APP突变在tau病理机制中的调控作用。该研究强调了APP N端在AD病理中的核心角色，揭示了APP与tau相互作用在tau病理扩散和突触功能损伤中的重要作用。未来研究应探索APP N端的其他潜在病理性变异，并研究其对tau病理和神经功能的影响。此外，拓展对APP与其他蛋白的互作研究将有助于更全面理解AD的分子机制，为新型AD治疗策略的开发提供理论基础。本研究为APP N端作为治疗靶点提供了新证据，推动了多靶点联合治疗策略的探索。
浙大城市学院和贵州医科大学谭俊教授为本文通讯作者；浙大城市学院博士后陈江和大连医科大学附属第一医院神经疾病研究所研究员李崧博士为该论文共同第一作者。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41380-024-02837-6
文图：陈江 李崧
审核：曾玲晖 谭俊
