tau蛋白與阿爾茨海默病

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tau蛋白與阿爾茨海默病

王亞男1余意1馮成強1

(中藥資源保護與利用北京市重點實驗室，北京100875)

〔關鍵詞〕Tau蛋白；阿爾茨海默病；抑制劑

1北京師范大學資源學院資源生態與中藥資源研究所

第一作者：王亞男(1988-)，女，碩士，主要從事阿爾茨海默病研究。

阿爾茨海默病(AD)是最常見的老年期癡呆綜合征，其主要病理特征之一為tau蛋白引起的細胞內神經纖維纏結(NFTs)〔1〕，研究tau蛋白是探討治療AD病變的基礎。近年來，以tau蛋白作為AD治療靶點的藥物研究受到越來越多的關注，特別是針對tau蛋白聚集新型抑制劑的研究取得初步進展。

1tau蛋白

微管系統是神經細胞的骨架組分，與有絲分裂、細胞內轉運、細胞特性及細胞標志等多種功能有關。微管由微管蛋白和微管相關蛋白組成，tau蛋白是一種含磷量最高的微管相關蛋白，具有合成和穩定神經元細胞、骨骼的作用，且腦內tau蛋白磷酸化和去磷酸化的平衡維持著微管的穩定〔2~4〕。

1.1tau蛋白的分子生物學特征tau蛋白是微管相關蛋白的主要成分，其編碼基因定位于17號染色體〔5〕。正常情況下廣泛存在于神經元內，因其與軸突的結合力比與胞體或樹突的結合力強，所以在腦內主要集中在神經元軸突中。

tau蛋白不具備規則的蛋白質二級結構，其一級結構具有重復串聯序列，即“Pro-Gly-Gly-Gly”。這些具有重復串聯序列的區域與雙螺旋細絲(PHFs)結合，導致PHFs發生不可逆的聚合，從而形成NFTs，高度磷酸化的tau蛋白就是組成PHFs的主要亞單位〔6〕。在成人腦中tau蛋白存在6種同工異構體，每個tau蛋白的異構體都有靠近C端的3 或4個與微管結合的重復區，其中具有4個重復區的tau 蛋白(4R tau)，比只有3個重復區的tau 蛋白(3R tau)與微管結合能力更強〔7〕。

1.2tau蛋白的生理學功能tau蛋白的主要功能包括兩個方面：①促進微管的形成。tau 蛋白結合的微管蛋白可作為微管組裝早期的核心，進而促進其他微管蛋白在此核心上延伸聚集形成微管。②保持微管的穩定性，對維護細胞骨架發揮重要作用。

2tau蛋白與AD的關系

AD公認的神經組織學病理特征是：神經細胞間大量的由β淀粉樣蛋白(Aβ)形成的老年斑(SP)、神經細胞內的NFTs〔8〕。其中NFTs就是由tau蛋白引起的。研究發現，除AD外，在帕金森病、人額顳骨癡呆及震顫性麻痹、進行性核上麻痹、皮克病等20多種有癡呆癥狀的神經系統疾病都有tau蛋白的異常磷酸化和基因缺陷，統稱為tau蛋白病〔9，10〕。在AD患者腦中，tau 蛋白過度磷酸化，與微管結合能力下降，一方面通過促使微管解聚，破壞細胞骨架；另一方面，tau蛋白本身也可以聚集成PHFs，形成細胞內NFTs，對神經細胞造成損傷，從而損害患者的認知記憶功能。

NFTs的毒性效應可能是神經元內大量原纖維物質聚集造成的，這種物質會對細胞功能如軸突運輸產生直接干擾，NFTs也會在疾病的發展過程中使tau蛋白和其他蛋白分離，從而強化和放大tau蛋白正常功能的丟失〔11〕。此外，轉基因(P301S)tau蛋白病模型小鼠的研究揭示突觸丟失和神經膠質細胞活性喪失發生在NFTs出現之前，可能是由于tau蛋白異常磷酸化導致運輸障礙引起的〔12〕。

此外，Aβ蛋白的聚集與tau蛋白病理改變之間存在協同作用〔13〕，在Aβ引起的級聯反應下游，tau蛋白代謝異常是引起神經元功能退化乃至凋亡的重要原因之一〔14〕。Roberson等〔4〕將tau基因敲除小鼠和淀粉樣前體蛋白(APP)轉基因小鼠雜交后，發現降低tau蛋白水平可以保護神經元細胞抵抗過量Aβ產生的細胞毒性，上述研究揭示AD的病理機制中Aβ神經元毒性需要tau蛋白來介導。

3tau蛋白聚集抑制劑的最新研究

tau蛋白在AD的發病機制中起著關鍵作用，因此，以tau蛋白為靶點治療AD或控制AD發病進程的研究受到越來越多研究人員的關注。近些年來，新技術的引用(如，計算機輔助藥物設計)促進抑制tau蛋白聚集藥物的研究，特別是對具有較高生物活性的抑制肽的研究取得突破性進展。

3.1tau蛋白非天然抑制肽設計與篩選研究〔15〕表明AD患者神經細胞內的NFTs是由tau蛋白纖維化形成的，并已證明tau蛋白的305~311氨基酸殘基(VQIVYK)是整個蛋白質形成纖維的重要部分，且它本身依靠生物物理特性就能形成類似完整的tau蛋白纖維。

Sievers等〔16〕通過計算機輔助藥物設計發現了一種新型的抑制tau蛋白聚集的非天然抑制肽，抑制tau蛋白的VQIVYK段形成纖維的過程。研究人員設計出最大限度地提高氫鍵和整個界面疏水相互作用的候選肽段，所設計的抑制肽和拉鏈末端之間緊密結合以阻止其他片段加入纖維。篩選出符合的4個D型多肽分別為：D-TLKIVW，D-TWKLVL，D-DYYFEF和D-YVIIER(α碳原子是D型)，其中D-TLKIVW最為有效。研究中發現，VQIVYK拉鏈模板設計的D 型多抑制劑不僅抑制tau蛋白的VQIVYK片段，也抑制其K12和K19兩個片段。

3.2tau蛋白非天然抑制肽特性的研究Sievers等〔16〕使用熒光光譜技術和電子顯微鏡來分析不同濃度的D-TLKIVW對延遲VQIVYK、K12、K19形成纖維的效果，發現不同濃度的D-TLKIVW都可以延遲VQIVYK、K12、K19形成纖維，但延遲程度具有濃度依賴性，不同濃度的D-TLKIVW延遲效果不同。接著，Sievers等〔16〕檢測D-TLKIVW的亂序突變體(D-TIKWVL，D-TIWKVL和D-LKTWIV)對抑制VQIVYK、K12、K19形成纖維的效果，發現這些亂序突變體對VQIVYK、K12、K19沒有抑制效果，揭示抑制作用是序列特異性的，并且發現其非對映異構體L-TLKIVW不及D-TLKIVW有效。

因為Aβ纖維形成也與AD發病有關，Sievers等〔16〕研究D-TLKIVW對Aβ纖維形成的影響，發現D-TLKIVW不能阻斷Aβ纖維的形成。這說明D-多肽抑制劑并不是對多數淀粉樣系統適用，而是專一地與tau蛋白中的VQIVYK表面相互作用，這樣的特異性可以防止對自然狀態下的淀粉樣蛋白產生抑制。

Sievers等〔16〕通過電子顯微鏡觀察到抑制劑D-TLKIVW與tau片段K19相互作用的位置，證實其對抑制tau蛋白聚集的作用效果。并且作為檢測，用D-Ala替換D-TLKIVW中的D-Leu殘基，發現抑制效果不明顯，說明2號亮氨酸對阻止tau纖維形成十分重要。

4總結與展望

微管相關蛋白tau蛋白異常引起的NFTs是AD的發病機制之一，因此研究tau蛋白結構和相關發病機制對AD的防治具有重要意義。Sievers等〔16〕研究設計的tau蛋白的非天然抑制肽具有濃度依賴性、序列特異性、構象特異性、作用對象專一、結合位置固定、結合位點專一的特性，這一研究成果對于AD致病機制的闡明和tau蛋白聚集抑制劑的設計具有非常重要的意義。①這種結構基礎法使研究人員可以不基于天然結構進行設計抑制劑，即使缺乏對淀粉樣蛋白天然結構的認識，也能設計出治療針對該種淀粉樣蛋白導致的相關疾病的藥物；②該項研究結果顯示，利用目前的計算機模擬技術可以設計特定的抑制劑用以防止其他類型的淀粉樣蛋白形成纖維。但該研究未進行細胞實驗和動物體內實驗，藥物的可行性與有效制劑問題亟待進一步研究，因為對于針對中樞神經系統的藥物需要透過血腦屏障才能起效。

隨著tau蛋白非天然抑制肽的研究，尋找tau蛋白的天然抑制肽可能成為研究tau蛋白抑制劑的新方向，并且進一步進行細胞實驗和動物體內實驗，驗證其效果；另外近年來研究發現，包括AD在內的tau蛋白病均可見異常tau蛋白聚積在細胞胞體和樹突內，形成tau包涵體并出現軸突的退行性變性，這個發現為退行性神經病變的研究提供了新的角度。所以研究tau蛋白異常導致的神經原纖維退行性病變的分子機制是探討治療退行性神經病變的基礎，將對包括AD在內的tau蛋白病發病機制及診治產生重要影響。

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〔2014-03-21修回〕

(編輯王一涵)

通訊作者：馮成強(1971-)，男，高級工程師，博士，碩士生導師，主要從事分子生物學研究。

基金項目：北京市教育委員會共建項目建設計劃資助項目(SYS10027043)

〔中圖分類號〕R363

〔文獻標識碼〕A

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