数十年来，研究人员一直致力于解开阿尔茨海默病等神经退行性疾病的生物学成因。主要研究焦点集中在大脑中异常折叠蛋白质的积累，这些蛋白质会聚集成团并损伤神经元。一项新研究揭示，特定的氨基酸重复链（称为多聚丝氨酸结构域）能够损害脑细胞，并加剧与这些疾病相关的有毒蛋白聚集体的积累。
研究结果表明，这些重复链可能是神经功能衰退的驱动因素。该研究已发表在美国《国家科学院院刊》上。
要理解这项研究，首先需了解一种名为tau的蛋白。在健康大脑中，tau蛋白作为神经细胞内部骨架的稳定剂，帮助维持细胞内营养物质和分子运输的轨道。在包括阿尔茨海默病在内的统称为tau蛋白病的疾病中，tau分子会脱离该结构，随后发生化学改变并相互粘连。这些粘性聚集体形成缠结，堵塞细胞并最终导致细胞死亡。
研究人员正致力于确定促使tau从有益稳定剂转变为有毒聚集体的原因。先前研究发现，患者大脑中的tau缠结常伴随其他特定蛋白质出现，这些伴随蛋白质通常包含长串重复的丝氨酸氨基酸。科学家将这些串称为多聚丝氨酸结构域。
此外，此类多聚丝氨酸链在特定遗传疾病中产生。亨廷顿病和脊髓小脑共济失调8型等疾病由基因编码错误引发——DNA小片段过度重复。这种基因"口吃"可能导致产生有毒重复蛋白，包括富含丝氨酸的蛋白。
科罗拉多大学博尔德分校研究员米根·范·阿尔斯泰恩领导了本研究，旨在确定多聚丝氨酸结构域是脑疾病的被动旁观者还是主动参与者。她与资深作者、该校生物化学杰出教授罗伊·帕克合作。团队试图解答：仅多聚丝氨酸的存在是否足以伤害哺乳动物大脑？以及它是否会加速tau蛋白引发的问题？
为验证此问题，团队使用了常见的实验工具——腺相关病毒9型（AAV9）。该病毒经修饰后不会致病，而是作为载体将特定遗传指令输送至细胞。研究人员向新生小鼠注射此病毒载体，指令脑细胞产生含42个丝氨酸分子长尾的蛋白质。
团队首先观察多聚丝氨酸对正常野生型小鼠的影响。随着小鼠年龄增长，产生多聚丝氨酸的小鼠出现明显生理和行为问题：体重低于对照组，且表现出运动协调困难。
研究人员通过转棒实验测试小鼠运动技能。该实验将小鼠置于水平旋转杆上，转速随时间加快，小鼠需持续行走以避免跌落，类似于伐木工人在滚动原木上保持平衡。在四至六个月大时，表达多聚丝氨酸的小鼠比对照组更早跌落。
行为变化亦随之显现。研究人员将小鼠置于高架迷宫中，迷宫包含两条封闭臂和两条开放臂。小鼠天性偏好封闭空间以获得安全感，但多聚丝氨酸小鼠在开放臂停留时间更长，表明其焦虑感降低或缺乏自然警惕性。
团队还通过恐惧条件反射实验测试记忆。该实验中，小鼠学会将特定声音或环境与轻微足部电击关联。当后续重返该环境时，正常记忆小鼠会因预期而冻结。而多聚丝氨酸小鼠冻结频率显著降低，表明其学习与记忆能力存在严重缺陷。
为找出行为异常的生物学原因，范·阿尔斯泰恩及其同事检查了小鼠大脑，发现一种名为浦肯野细胞的特定神经元数量急剧减少。这些是位于小脑（负责协调自主运动的大脑区域）中形状独特的大型神经元。
本研究使用的病毒递送系统对靶向浦肯野细胞尤为有效。在接收多聚丝氨酸基因的小鼠中，这些细胞几乎完全消失，这很可能解释了转棒实验中观察到的协调问题。
除细胞死亡外，研究人员还观察到胶质增生迹象。这是脑内支持细胞（胶质细胞）过度活跃的反应，表明存在炎症和损伤。大脑正将多聚丝氨酸视为有毒物质进行应答。
研究人员随后调查了多聚丝氨酸在存活神经元内的去向。发现该蛋白未停留在细胞主体内，而是积聚在细胞核（储存DNA的控制中心）中，并形成大型聚集体。这些聚集体被泛素（细胞用于标记待清除垃圾的小分子）标记，表明细胞试图但未能清除这种有毒蛋白。
在确认多聚丝氨酸自身具有毒性后，研究人员测试了其对tau蛋白的影响。他们使用经基因改造产生突变人源tau蛋白的小鼠品系，这些小鼠随年龄增长会自然形成tau缠结和神经退行性病变。
团队向这些易患tau病理的小鼠注射产生多聚丝氨酸的病毒。结果显示，多聚丝氨酸如同火上浇油：同时表达突变tau和多聚丝氨酸的小鼠比仅表达突变tau的小鼠显著提前死亡。
分析这些小鼠的脑组织后，研究人员发现疾病标志物水平升高：磷酸化tau增加（促进聚集体形成的化学变化）；不溶性tau增多（指无法溶解的硬质缠结）。此外，团队测量了tau的"种子"能力——在疾病状态下，错误折叠的tau可作为模板腐蚀正常tau使其错误折叠，导致病理从细胞向细胞扩散。含多聚丝氨酸的小鼠脑提取物在测试细胞中诱导聚集体的能力更强，表明多聚丝氨酸使tau病理更具侵袭性和传播性。
最后，研究人员探究该效应是否为丝氨酸独有。他们将其与其他遗传疾病中常见的重复氨基酸链（如多聚谷氨酰胺和多聚丙氨酸）进行比较，并将这些不同链引入培养皿中生长的人类神经元。
结果显示高度特异性：仅多聚丝氨酸链能将tau分子招募至其聚集体中，多聚谷氨酰胺和多聚丙氨酸链则不能。多聚丝氨酸与tau之间的这种物理相互作用，正是加速形成毒性tau种子的关键机制。
本研究存在若干局限。研究使用病毒强制细胞产生高水平多聚丝氨酸，可能导致蛋白浓度高于人类疾病自然水平。未来研究需确定人类寿命尺度下较低的自然水平多聚丝氨酸是否会造成同等程度损害。
作者还指出，尽管观察到小脑大规模细胞死亡，但海马体等其他脑区虽含该蛋白却对细胞损失表现出更强抵抗力。理解为何某些神经元死亡而其他存活，可能为神经保护提供线索。
本研究提供了证据：多聚丝氨酸不仅是疾病的被动标记物，更是能杀死神经元并恶化tau蛋白病的活性毒素。这为疗法开辟了新途径——若科学家能阻断多聚丝氨酸与tau的相互作用，或可延缓阿尔茨海默病等疾病的进展。
"若要真正治疗阿尔茨海默病及许多其他疾病，我们必须尽早阻断tau蛋白，"帕克表示，"这些研究在理解tau为何在细胞中聚集及如何干预方面迈出了重要一步。"
该研究《多聚丝氨酸结构域具有神经毒性并加剧小鼠tau病理》由米根·范·阿尔斯泰恩、范妮莎·L·阮、查尔斯·A·霍弗和罗伊·帕克共同完成。
【全文结束】
