微管相關(guān)蛋白tau與Alzheimer病神經(jīng)原纖維退變

1、微管相關(guān)蛋白tau與Alzheimer病神經(jīng)原纖維退變    Alzheimer病(AD)是成人癡呆癥中最常見的一種。神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)的神經(jīng)原纖維纏結(jié)(NFT)是其特征性腦損傷之一。NFT的主要組成成分是異常過度磷酸化的微管相關(guān)蛋白tau,這種tau蛋白以聚集的雙螺旋絲(PHF)存在。越來越多的實(shí)驗(yàn)證明:NFT引起的神經(jīng)原纖維退化在AD發(fā)病中起重要作用。本文將近年來對(duì)AD神經(jīng)原纖維退化的分子機(jī)制以及抑制這種退變的可能性方面的研究作一綜述。 一、 AD神經(jīng)元微管相關(guān)蛋白tau的異常修飾 正常tau蛋白是一種含磷蛋白質(zhì),每克分子tau蛋白中磷酸含量為23克分子。在

2、AD患者,tau蛋白被異常過度磷酸化,從而使每克分子tau蛋白的磷酸含量增高至59克分子1（注：1M=1mol/L）。AD腦中微管相關(guān)蛋白tau的含量顯著高于對(duì)照者,而升高的tau蛋白中以異常過度磷酸化的形式為主2。異常過度磷酸化促使tau聚集形成PHF。已發(fā)現(xiàn)PHF-tau至少在21個(gè)位點(diǎn)發(fā)生了異常磷酸化。有趣的是:PHF-tau中的這些異常磷酸化位點(diǎn)大部分都存在于大鼠及人類胎腦tau蛋白中3。據(jù)此有人推測(cè):AD腦中tau蛋白異常磷酸化可能與大腦發(fā)育過程中控制tau磷酸化的途徑激活或在發(fā)育過程中特異性蛋白磷酸酯酶的失活有關(guān)。其確切機(jī)理有待更進(jìn)一步的探討。除異常過度磷酸化外,AD腦中tau蛋白

3、還被異常糖化/糖基化4，5。糖基化和糖化分別代表兩種完全不同的生化過程4。 用不同生化分離技術(shù)可將AD-tau蛋白分成三個(gè)級(jí)分:(1)胞漿非異常修飾tau(C-tau)；(2)異常修飾易溶型tau(AD P-tau)；(3)異常修飾并聚集為PHF的tau蛋白(PHF-tau)1。根據(jù)PHF-tau在2%十二烷基硫酸鈉(SDS)中的溶解性質(zhì)差異,又可將其分為PHF -tau和PHF -tau兩種。從病理學(xué)意義上,AD腦中tau蛋白的上述不同存在狀態(tài)可能反映了神經(jīng)原纖維退化的不同發(fā)展階段,即正常tau(C-tau)首先被異常磷酸化成AD P-tau,然后再通過一個(gè)目前尚不完全了解的機(jī)制聚集成PHF

4、-tau。PHF -tau蛋白被部分泛素化修飾6，因?yàn)榉核厥且环N蛋白水解酶，PHF -tau的泛素化可能是機(jī)體試圖對(duì)其進(jìn)行水解清除的一種代償反應(yīng)。異常修飾的AD tau對(duì)Ca2+激活的中性蛋白水解酶抗性增加7。 二、 蛋白磷酸酯酶在tau蛋白異常磷酸化中的作用 AD腦中蛋白磷酸酯酶（PP）-2A,PP-2B, PP-1的活性均比年齡匹配的對(duì)照者低8。用PP-2A或PP-2B抑制劑處理培養(yǎng)神經(jīng)母細(xì)胞瘤可導(dǎo)致tau蛋白的異常磷酸化9。在體外將AD P-tau分別與不同蛋白磷酸酯酶保溫再定量檢測(cè)其磷酸釋放量, 發(fā)現(xiàn)PP-2A,PP-2B和PP-1分別可使異常tau蛋白水解釋放其57%, 36%和30

5、%的磷酸基10。此外,酶動(dòng)力學(xué)研究資料也證明:PP-2A是活性最強(qiáng)的AD P-tau磷酸酯酶,其去磷酸化作用的Km值為（8.0±2.8）mol/L8。PP-2A和PP-2B也可使PHF -tau蛋白不同位點(diǎn)去磷酸化，但此時(shí)需要的酶量遠(yuǎn)高于使AD P-tau去磷酸化所需的酶量7。Yamamoto等11也發(fā)現(xiàn):使PHF-tau去磷酸化所需的PP-2A,PP-2B和PP-1的量遠(yuǎn)高于使胎腦tau去磷酸化所需的酶量，提示PHF/NFT結(jié)構(gòu)的空間位阻效應(yīng)可能不利于蛋白磷酸酯酶對(duì)其tau蛋白的去磷酸化作用。從上述研究資料可知：AD腦中蛋白磷酸酯酶的缺陷可能是導(dǎo)致tau蛋白異常磷酸化的主要原因。

6、PP-2A和PP-2B使AD異常磷酸化tau蛋白的去磷酸化活性可被Mn2+和Mg2+激活7，其中Mn2+的激活作用最強(qiáng)。此外,Ca2+/鈣調(diào)素也可增高PP-2B使異常tau蛋白的去磷酸化活性。這些實(shí)驗(yàn)資料為AD預(yù)防治療新藥的開發(fā)提供了線索。 三、 去磷酸化對(duì)tau蛋白生物學(xué)活性的恢復(fù) 正常人腦tau蛋白的功能主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：(1)與管蛋白結(jié)合形成微管；(2)與已經(jīng)形成的微管結(jié)合以維持其穩(wěn)定性。AD異常修飾的tau蛋白喪失其上述生物學(xué)活性。PP -2A,PP-2B和PP-1使AD P-tau去磷酸化后可不同程度恢復(fù)其生物學(xué)功能。以微管形成的初速度及最后形成量為參數(shù),Wang等發(fā)現(xiàn)PP-2A對(duì)

7、AD P-tau的生物學(xué)活性恢復(fù)能力比PP-2B和PP-1強(qiáng)9。此外,PP-2A和PP-2B的去磷酸化作用還可使PHF -tau不同程度恢復(fù)其生物學(xué)活性,同樣，PP-2A對(duì)PHF -tau的活性恢復(fù)作用遠(yuǎn)強(qiáng)于PP-2B7。 單純?nèi)ヌ腔幚聿荒芑謴?fù)異常tau蛋白的生物學(xué)活性。然而,去糖基化預(yù)處理可增加其后的去磷酸化作用對(duì)tau蛋白功能恢復(fù)的程度4。由此可見，tau蛋白的異常磷酸化不是異常糖基化，而是其功能缺陷的直接原因。而這種缺陷導(dǎo)致的生物學(xué)功能的改變?cè)隗w外實(shí)驗(yàn)中是可以被逆轉(zhuǎn)的。 四、 去磷酸化和/或去糖基化對(duì)PHF/NFT結(jié)構(gòu)的影響 與正常細(xì)胞骨架組分不同,PHF是以右手螺旋盤繞形成的雙螺旋

8、絲結(jié)構(gòu):其螺旋絲的直徑約為2224 nm,每80 nm處有一狹窄區(qū),其直徑約為10 nm。PHF 在電鏡下常見的是單個(gè)雙螺旋絲,而PHF 則常以纏結(jié)形式存在。將從AD腦中分離的PHF /NFT與PP-2A一起在體外保溫一定時(shí)間，并進(jìn)行負(fù)染電子顯微鏡檢查,結(jié)果發(fā)現(xiàn)PP-2A可使PHF /NFT結(jié)構(gòu)松解,這種松解作用隨體外保溫時(shí)間延長(zhǎng)而變得漸趨明顯。進(jìn)一步的定量分析結(jié)果表明:PP-2A處理的PHF/NFT樣品比對(duì)照組釋放顯著增多量的游離tau蛋白7。 內(nèi)切糖苷酶F/N-糖苷酶F可選擇性使AD P-tau和PHF /NFT中的tau去糖基化4。經(jīng)糖苷酶處理的樣品其螺旋結(jié)構(gòu)消失,形成更加緊密,伸展束狀

9、的纖維絲結(jié)構(gòu),纖維絲的直徑約為(2.5±0.5)nm。單純?nèi)ヌ腔饔貌荒茱@著增加tau蛋白從PHF/NFT結(jié)構(gòu)中的釋放,然而,去糖基化后再用PP-2A處理可使PHF/NFT釋放的游離tau蛋白量比單純用PP-2A去磷酸化所釋放的tau量顯著增高4，7。提示:tau蛋白的異常磷酸化在PHF/NFT的形成及穩(wěn)定性維持中均起作用, 而糖基化作用則主要與其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,尤其是PHF結(jié)構(gòu)中螺旋的周期性維持有關(guān)。 有趣的是: 在體外將正常重組tau蛋白與AD P-tau一起保溫,所形成的產(chǎn)物在電鏡下呈直徑為2.13.3 nm的線性纖維12， 這種纖維結(jié)構(gòu)與PHF去糖基化后所形成的結(jié)構(gòu)非常相似4

10、。AD P-tau分子中既有異常磷酸化又有異常糖基化, 如果PHF中螺旋的周期性單純由聚糖分子維持, 則正常tau與AD P-tau的反應(yīng)產(chǎn)物應(yīng)該是PHF。據(jù)此推測(cè), PHF的形成可能還需要更多現(xiàn)在尚不明了的因素參與。tau蛋白異常磷酸化與異常糖基化的相關(guān)關(guān)系至今尚未明了。 五、 蛋白激酶在tau蛋白異常磷酸化中的作用 根據(jù)蛋白激酶催化磷酸化反應(yīng)序列的特點(diǎn),可將絲氨酰/蘇氨酰蛋白激酶分為兩大類型:(1)脯氨酸指導(dǎo)的蛋白激酶(PDPK),該酶催化底物磷酸化反應(yīng)的序列特點(diǎn)是-X(S/T)P-(X-任一氨基酸，S-絲氨酸,T-蘇氨酸,P-脯氨酸); (2)非脯氨酸指導(dǎo)的蛋白激酶（non-PDPK)。

11、在已知的21個(gè)PHF-tau蛋白異常磷酸化位點(diǎn)中,約有半數(shù)為PDPK位點(diǎn),另一半為non-PDPK位點(diǎn)。由此可見,可能有一個(gè)以上蛋白激酶參與了AD tau蛋白的異常磷酸化過程,但是,這些蛋白激酶的性質(zhì)尚不十分清楚。由于上述激酶單獨(dú)使用時(shí)對(duì)tau蛋白異常位點(diǎn)的磷酸化作用非常緩慢,提示tau蛋白并非是這些激酶的理想底物。 ManderKow小組報(bào)道:重組tau蛋白的ser-262位的體外磷酸化可完全抑制其與微管結(jié)合的功能13。Singh等發(fā)現(xiàn):ser-262位的磷酸化只抑制約40%的tau蛋白生物學(xué)活性14，提示tau蛋白的生物學(xué)活性的表達(dá)與多個(gè)部位的磷酸化有關(guān),而ser-262只是其中的一個(gè)。AD腦中GSK-3的表達(dá)量比對(duì)照者增高約50%,但沒有檢測(cè)到其