数十年来，研究人员一直在努力解开阿尔茨海默病等神经退行性疾病的生物学原因。主要关注点一直是错误折叠的蛋白质在大脑中聚集并损害神经元的现象。一项新研究揭示，特定的氨基酸重复链，称为多丝氨酸结构域，可以损害脑细胞并加剧与这些疾病相关的有毒蛋白质团块的积累。
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。该研究发表在《美国国家科学院院刊》上。
要理解这项研究，有必要了解一种名为tau的蛋白质。在健康的大脑中，tau蛋白作为神经细胞内部骨架的稳定剂。它有助于维持细胞内运输营养物质和分子的轨道。在统称为tau蛋白病的疾病中（包括阿尔茨海默病），tau分子会从这一结构上脱离。随后，它们发生化学变化并粘在一起。这些粘性团块或聚集物形成缠结，扼杀细胞并最终导致其死亡。
研究人员正在努力确定导致tau从有益的稳定剂转变为有毒团块的原因。先前的研究观察到，某些其他蛋白质经常与患者大脑中的tau缠结同时出现。这些伴随蛋白质通常包含长而重复的丝氨酸氨基酸串。科学家将这些串称为多丝氨酸结构域。
此外，这些多丝氨酸链是在特定遗传疾病中产生的。亨廷顿病和8型脊髓小脑共济失调等疾病是由基因编码错误引起的，其中一小段DNA重复次数过多。这些基因"口吃"可能导致有毒重复蛋白质的产生，包括富含丝氨酸的蛋白质。
科罗拉多大学博尔德分校的研究员梅根·范·阿尔斯泰因领导了这项研究，以确定这些多丝氨酸结构域仅仅是脑疾病的旁观者还是积极参与者。她与同校生物化学杰出教授、资深作者罗伊·帕克合作。研究团队试图回答多丝氨酸的存在本身是否足以伤害哺乳动物大脑。他们还想了解多丝氨酸是否会加速tau蛋白引起的问题。
为了研究这一点，研究团队使用了一种常见的实验室工具，称为腺相关病毒9型。这种病毒经过改造，不会引起疾病。相反，它充当运输载体，将特定的遗传指令运送到细胞中。研究人员向新生小鼠注射了这种病毒载体。该病毒向脑细胞传递指令，生产一种包含42个丝氨酸分子长尾的蛋白质。
研究人员首先观察了这种多丝氨酸对正常野生型小鼠的影响。随着小鼠年龄增长，产生多丝氨酸的小鼠出现了明显的身体和行为问题。它们的体重低于对照组。它们还表现出运动和协调困难。
研究团队使用旋转杆测试来测试小鼠的运动技能。该测试涉及将小鼠放在一个水平旋转杆上，旋转杆随时间加速旋转。小鼠必须不断行走以避免掉落。这类似于伐木工人在滚动原木上保持平衡。从4到6个月大起，表达多丝氨酸的小鼠比对照组小鼠更早从杆上掉落。
行为变化也出现了。研究人员将小鼠放入一个高于地面的迷宫中。迷宫有两个封闭臂和两个开放臂。小鼠天生喜欢封闭空间，因为它们感觉更安全。含有多丝氨酸的小鼠在开放臂中花费了更多时间。这种行为表明焦虑减少或缺乏自然谨慎。
研究团队还使用恐惧条件反射测试来测试记忆。在这个测试中，小鼠学会将特定声音或环境与轻微的脚部电击联系起来。当稍后放回该环境时，具有正常记忆的小鼠会因预期而冻结不动。含有多丝氨酸的小鼠冻结的频率要低得多。这表明它们在学习和记忆方面存在严重缺陷。
为了找到这些行为的生物学原因，范·阿尔斯泰因和她的同事检查了小鼠的大脑。他们发现一种特定类型的神经元——普肯耶细胞——大量丧失。这些是位于小脑中的大型、形状独特的神经元。小脑是大脑中负责协调随意运动的部分。
研究中使用的病毒递送系统以其特别有效地靶向普肯耶细胞而闻名。在接受多丝氨酸基因的小鼠中，这些细胞几乎被完全消灭。这些细胞的丧失很可能解释了在旋转杆测试中观察到的协调问题。
除了细胞死亡外，研究人员还观察到了胶质增生的迹象。这是一种反应，其中大脑中的支持细胞（称为胶质细胞）变得过度活跃。这是炎症和损伤的迹象。大脑将多丝氨酸视为有毒物质而作出反应。
研究人员随后调查了多丝氨酸在存活神经元内的去向。他们发现这种蛋白质没有停留在细胞的主要部分。相反，它在细胞核内积聚。细胞核是包含DNA的细胞控制中心。多丝氨酸在细胞核内形成大团块。这些团块被泛素标记，泛素是细胞用来标记垃圾以进行处理的小分子。这表明细胞试图清除有毒蛋白质，但未能成功。
在确定多丝氨酸本身具有毒性后，研究人员测试了它对tau蛋白的影响。他们使用了一种经过基因工程改造以产生人类突变tau蛋白的特定小鼠品系。这些小鼠随着年龄增长会自然发展出tau缠结和神经退行性变。
研究团队向这些易患tau蛋白病的小鼠注射了产生多丝氨酸的病毒。结果显示，多丝氨酸就像火上浇油。同时表达突变tau蛋白和多丝氨酸的小鼠比仅表达突变tau蛋白的小鼠显著更早死亡。
当研究人员分析这些小鼠的脑组织时，他们发现疾病标志物水平升高。磷酸化tau蛋白增加。磷酸化是一种促进聚集的化学变化。研究还发现了更多的不溶性tau蛋白，这指的是无法溶解的硬质缠结。
此外，研究团队测量了tau蛋白的"种子"能力。在疾病状态下，错误折叠的tau蛋白可以像模板一样发挥作用。它使正常tau蛋白发生错误折叠，导致病理从细胞传播到细胞。含有多丝氨酸的小鼠的脑提取物显示出在测试细胞中诱导聚集的更高能力。这表明多丝氨酸使tau蛋白病理更具攻击性和传染性。
最后，研究人员询问这种效应是否是丝氨酸独有的。他们将其与其他在遗传疾病中常见的重复氨基酸链进行比较，如多谷氨酰胺和多丙氨酸。他们将这些不同的链引入培养皿中生长的人类神经元。
结果显示了高度特异性。只有多丝氨酸链将tau分子招募到它们的簇中。多谷氨酰胺和多丙氨酸链则没有。这种多丝氨酸和tau之间的物理相互作用似乎是加速有毒tau种子形成的机制。
这项研究有一些需要注意的地方。研究使用病毒迫使细胞产生高水平的多丝氨酸。这可能导致蛋白质浓度高于人类疾病中自然发生的水平。未来的研究需要确定较低的、自然水平的多丝氨酸是否会在人类寿命期间造成相同程度的伤害。
作者还指出，虽然他们在小脑中观察到大量细胞死亡，但其他脑区如海马体似乎对细胞损失更具抵抗力，尽管含有该蛋白质。理解为什么一些神经元死亡而其他神经元存活可能提供保护的线索。
这项研究提供了证据，表明多丝氨酸不仅仅是疾病的被动标记物。它表明这些重复结构域是有毒物质，可以杀死神经元并加重tau蛋白病。这为治疗开辟了潜在的新途径。如果科学家能够阻断多丝氨酸和tau之间的相互作用，他们可能能够减缓阿尔茨海默病等疾病的进展。
帕克说："如果我们真的想治疗阿尔茨海默病和许多其他这些疾病，我们必须尽早阻断tau蛋白。""这些研究在理解tau蛋白为何在细胞中聚集以及我们如何进行干预方面迈出了重要的一步。"
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