NRR文章分享：南通大学吴锋团队全面总结tau截断体在阿尔茨海默病发病机制中的作用

南通大学吴锋团队

撰文：杨星月，储丹丹

阿尔茨海默病是老年人群最常见的痴呆，其症状主要包括早期学习、短期记忆和空间导航障碍，注意力、语言、执行功能和自我照顾能力逐渐丧失以及情绪、思维和行为变化等。阿尔茨海默病典型的神经病理学特征包括细胞外β淀粉样蛋白斑块和细胞内过度磷酸化tau蛋白聚集成的神经纤维缠结。大脑中tau的病理变化先于阿尔茨海默病临床症状出现[1]，并与患者认知能力下降直接相关[2]。

天然的tau蛋白为无规则卷曲结构，几乎没有聚集。一旦部分折叠成β片层，即可能引发单体间聚集，逐渐形成可溶性二聚体、低聚物、不溶性成对螺旋丝和神经纤维缠结，呈朊样聚集特性[3]。在阿尔茨海默病大脑中，病理性tau由蓝斑和内嗅皮质部位起源，传播到边缘系统，最终蔓延到新皮质[4]。tau蛋白截断对病理性tau的产生和朊样传播起关键作用，被认为是阿尔茨海默病神经病变的关键驱动力之一。目前，多种针对tau部分片段和表位的阿尔茨海默病治疗策略正在开发。此外，tau截断体还能释放到脑间质液、脑脊液和血液中，可作为阿尔茨海默病的潜在标志物[5]。然而，tau截断体在阿尔茨海默病发病机制中的作用尚缺乏深入而全面的总结。

最近，来自中国南通大学吴锋团队在《中国神经再生研究（英文版）》（Neural Regeneration Research）上发表了题为“Tau truncation in the pathogenesis of Alzheimer’s disease: a narrative review”的综述。该综述总结了tau的60多个截断位点和相应截断片段，探索了特定截断体在生理和阿尔茨海默病病理状态下的作用，并归纳了tau片段的靶向策略在阿尔茨海默病诊断和治疗中的最新应用。

人tau蛋白是一种高度水溶性和内在无序的蛋白质，由染色体17q21.31上的MAPT基因编码。人类中枢神经系统中最长的tau亚型由441个氨基酸（amino acid, a.a.）组成，分子量为46kDa；包含3个结构域（图1A）：（i）从微管表面突出的N末端酸性投射结构域，（ii）与含SH3结构域的蛋白质相互作用所需的富含脯氨酸的碱性区，（iii）介导微管组装和自聚集的微管结合重复序列，以及（iv）C末端。其主要生理功能是结合并稳定微管、促进微管的组装。

图1tau蛋白的结构域（A）和截断位点（B）（图源：Chu et al., Neural Regen Res, 2024）

为探索tau在生理和阿尔茨海默病病理状态下的截断及其作用，吴锋等对PubMed数据库1988至2022年收集了有关tau截断体和阿尔茨海默病的文献进行检索。结果发现，tau截断体最早于1988年，从阿尔茨海默病脑中成对螺旋丝的抗蛋白酶核心区域中分离出来[6]。迄今为止，tau蛋白的所有4个结构域中共发现了tau的60多个蛋白酶水解切割位点[5]（图1B），并在阿尔茨海默病大脑中造成30多种不同长度的截断体[7]。tau截断位点中一半以上已确定了相应的蛋白酶，包括去整合素和金属肽酶结构域10蛋白（a disintegrin and metallopeptidase domain 10）、天冬酰胺内肽酶（asparagine endopeptidase）、钙蛋白酶（calpains）、半胱天冬酶（caspases）、组织蛋白酶（cathepsins）、糜蛋白酶（chymotrypsin）、人高温需求丝氨酸蛋白酶A1（human high-temperature requirement serine protease A1）、嘌呤霉素敏感氨基肽酶（puromycin-sensitive aminopeptidase）、凝血酶和基质金属蛋白酶（thrombin and matrix-metalloproteinases）等。此外，tau蛋白在K281和K340处可发生自乙酰化，也能引起K281-L282和K340-S341位点处发生自水解[8]。一般来说，tau截断体的序列决定了其特征和病理意义。

研究通过识别tau不同表位的抗体检测大脑中不同tau组分的截断情况。在健康的人脑中，大约3/4的可溶性tau为全长tau，而其余的是C末端截断体[9]。然而，在阿尔茨海默病患者大脑中，神经纤维缠结中tau则存在明显的N末端丢失[10]。吴锋等的合作课题组既往一系列研究发现，大脑中热稳定的单体tau几乎不存在截断现象[11]，阿尔茨海默病患者大脑中具有朊样毒性的tau高分子量寡聚物主要是N末端截断造成的[12]，而C末端尽管被过度磷酸化[13]，却基本保持完整[12]。此外，在18-22月龄的老龄野生型和阿尔茨海默病模型小鼠大脑中，tau截断则非常有限[14]，这显示了模型动物和人类之间存在差异。

在生理条件下，tau的酸性N和C末端常折叠于碱性的微管结合重复序列（图1B），形成回形针状构象，以防止蛋白质自聚集[15]。良性位点截断有利于tau蛋白水解，从而促进其正常降解（图2A）[16]。而在阿尔茨海默病病理条件下，N和C末端的截断暴露出微管结合区域，从而促进tau微管结合区域的聚集和纤维化[17]。吴锋等探讨了阿尔茨海默病脑中发现的tau截断位点，如N368、E391、D421等在体内和体外对tau聚集的影响。此外，吴锋等合作课题组也构建了一系列tau截断体，分别可切除tau蛋白的N端50、150或230个氨基酸和/或C端20或50个氨基酸，并分析了这些截断体被诱导聚集的能力。结果发现，在全长tau蛋白和各种截断体中，tau151-391表现出最强的病理特性，即最强的过度磷酸化、最易发生自聚集、最容易与阿尔茨海默病大脑中朊样毒性寡聚体tau结合并被其诱导聚集[18]。

除促进聚集外，tau截断还能调节自身的翻译后修饰（如过度磷酸化和泛素化）、破坏微管稳定性、影响蛋白质分选、造成突触囊泡运输障碍进而导致突触功能受损、单独或与β淀粉样蛋白共同诱导线粒体功能异常、破坏内质网和高尔基体、调节细胞信号、诱发细胞死亡、刺激小胶质细胞激活、损伤血脑屏障、影响tau单体和聚集体的跨突触传递等（图2）。

图2tau截断在生理和阿尔茨海默病病理条件下的作用（图源：Chu et al., Neural Regen Res, 2024）

截断的tau片段不仅可沉积在大脑中，还能够释放到大脑间质液[19]和脑脊液[20]中，甚至穿越血脑屏障进入血清[21]。其中一些特定的N端片段，在阿尔茨海默病患者的脑脊液和血清中显著增多，因而可作为阿尔茨海默病诊断的新的潜在标志物[22]。

最后，吴锋等对美国食品药品管理局批准临床试验的靶向tau的免疫疗法进行了汇总（表1）。值得注意的是，针对tau的被动免疫疗法中，有4项的临床试验针对tau的N末端表位。其中3项临床试验已停止（BIIB076、Gosuranemab和Tilavonemab），另一项（Semorinemab）对阿尔茨海默病病程进展的抑制作用不佳[23]，推测这些策略所靶向的tau N末端肽段在最具朊样毒性的tau寡聚物中已被截除[12]，故不能有效抑制tau寡聚物诱导的病理朊样传播。因此，选择对tau聚集至关重要的微管结合重复序列，而非N末端表位作为抗tau疗法的靶点，可能对阿尔茨海默病治疗具有更积极的意义。

表1靶向tau的免疫疗法

a.a.: Amino acid; MTBR: microtubule-binding repeat. （表源：Chu et al., Neural Regen Res, 2024）

总之，tau的正常水解截断对其降解和清除至关重要，是维持微管动态所必需的。而tau截断的失调可能导致（i）tau聚集或翻译后修饰改变，从而降低其调节微管动态的能力；（ii）直接或间接破坏细胞的功能结构，包括突触、线粒体、内质网、高尔基体、细胞核等；（iii）导致神经元死亡或神经胶质激活的信号通路变化；（iv）更多地渗漏到大脑间质液、脑脊液甚至血液中。尤其是具有朊样活性的tau截断体的释放可能促进tau病理在大脑中传播。因此，tau蛋白的异常截断通过对神经元分子、细胞结构和大脑稳态产生广泛损伤，深刻影响阿尔茨海默病病理的发生和进展。在临床应用中，N末端磷酸化的tau片段可作为阿尔茨海默病早期诊断的前瞻性生物标志物，而tau中部的微管结合重复序列则是目前抗体疗法的热门靶点。

当然，需要指出的是，tau的异常截断不仅发生在阿尔茨海默病中，在许多其他的神经退行性疾病（如皮质基底部变性、额颞叶痴呆、皮克氏病和进行性核上性麻痹）中也有发现[37]。tau截断体如何在不同类型的神经退行性疾病中发挥致病作用，对于理解包括阿尔茨海默病在内的神经退行性疾病的发病机制、探索相应的靶向治疗方案具有重要意义。

储丹丹和杨星月为并列第一作者，南通大学吴锋副教授和美国纽约州立发育障碍基础研究所刘飞教授为并列通讯作者。

基金资助：南通大学江苏省神经再生协同创新中心；国家自然科学基金面上项目（81872853，81870941）和南通市科技计划项目（JC22022022，JC2021059）。

文章在《中国神经再生研究（英文版）》杂志2024年5期发表。

引用本文：

Chu D, Yang X, Wang J, Zhou Y, Gu J, Miao J, Wu F, Liu F (2024) Tau truncation in the pathogenesis of Alzheimer’s disease: a narrative review. Neural Regen Res 19(6):1221-1232.