哥伦比亚大学的研究人员发现了阿尔茨海默病起源的新线索：脑细胞表面一种脆弱的清理系统。这可能揭示了普通tau蛋白是如何首次转变为与记忆丧失和认知衰退相关的扭曲纤维的。
这是哥伦比亚大学团队的核心发现，他们追踪了tau损害的最早阶段，并将其追溯到一种名为神经蛋白酶体的神经元特异性蛋白质处理系统。当该系统受到干扰时，tau迅速错误折叠，形成成对螺旋丝。这与阿尔茨海默病患者大脑中出现的异常结构属于同一大类。
这项研究指出了tau病理的可能起点。此外，它将该疾病的两个最大风险因素——衰老和APOE4基因变异——联系了起来。
“之前的研究无法捕捉到阿尔茨海默病中tau最初是如何错误折叠的，但如果我们想要创造出能在神经退行性变开始之前就阻止它的疗法，理解tau聚集如何开始至关重要。”该研究的资深作者、哥伦比亚大学神经科学助理教授卡皮尔·拉马钱德兰说道。
tau通常有助于稳定神经元。在阿尔茨海默病中，tau变得畸形并聚集成缠结。这些缠结与认知症状的恶化密切相关。然而，研究人员一直难以解释正常tau最初是如何开始这种转变的。尤其因为它无法像在人类中那样在标准动物模型中错误折叠。
细胞表面的一个处理系统
拉马钱德兰的实验室之前已经确定神经蛋白酶体是一个跨越神经元外膜的额外处理系统。它似乎能够销毁那些特别容易错误折叠的新生蛋白质。
“在我们的新研究中，我们想看看如果我们阻断神经蛋白酶体会发生什么。”拉马钱德兰说，“我们必须建立一套分子工具来实现这一点。然后我们就发现了tau纤维。”
为此，团队创建了膜不可渗透的抑制剂，旨在阻断神经蛋白酶体。这些抑制剂没有关闭细胞内部的蛋白酶体。这种区别很重要，因为标准的蛋白酶体抑制剂会影响整个细胞并触发更广泛的清理反应，这些反应可能掩盖神经元表面具体发生的情况。
利用新型抑制剂，研究人员发现，在原代小鼠神经元中阻断神经蛋白酶体会导致内源性tau转变为一种sarkosyl不溶形式，这是一种与聚集相关的生化特征。在携带人类tau（处于正常水平，无突变或过表达）的小鼠神经元中也发生了同样的事情。
当tau缺失时，这种效果没有出现。使用非活性对照化合物时也没有出现，这加强了神经蛋白酶体本身驱动了这种变化的推论。
tau呈现出阿尔茨海默病样特征
团队随后询问这些新形成的聚集体是否类似于阿尔茨海默病中看到的tau结构。
在小鼠中，将抑制剂注入海马体（阿尔茨海默病中严重受影响的大脑区域）后，研究人员发现了大量的不溶性tau。电子显微镜显示扭曲的纤维类似于成对螺旋丝。此外，免疫金标记证实这些纤维含有tau。
这些结构还带有其他阿尔茨海默病样特征。tau在多个位点表现出磷酸化增加，这些位点与人类阿尔茨海默病脑组织中的已知标志物匹配。这些位点包括对应人类Ser202、Thr205、Thr217和Ser404的位点。在大脑切片中，研究组检测到升高的AT8染色，这是磷酸化tau的标准标志物。还有硫黄素S阳性的火焰状和线状内含物，这两者都与聚集的蛋白质组装体有关。
综合这些结果，有选择性地破坏神经蛋白酶体足以触发从正常内源性tau中重新形成阿尔茨海默病相关tau聚集体。
这很重要，因为大多数早期研究依赖于将患者大脑中预先存在的tau缠结引入动物体内。而这项研究则聚焦于该过程如何开始。
APOE4似乎降低了阈值
当团队研究ApoE（一种已经与阿尔茨海默病风险密切相关的蛋白质）时，这些发现变得更加引人注目。已知APOE4会显著提高患病风险，而APOE2被认为具有保护作用。
研究人员发现ApoE及其受体Lrp1与神经蛋白酶体相互作用。在人类化ApoE小鼠模型中，与ApoE3和ApoE2小鼠相比，ApoE4小鼠细胞表面的神经蛋白酶体水平显著降低。ApoE2则具有相反的效果，它增加了神经蛋白酶体的定位。
在经细胞外脂化ApoE颗粒处理的培养神经元中也观察到了同样的模式。脂化ApoE4减少了表面神经蛋白酶体，而脂化ApoE2则增加了它们。非脂化ApoE没有相同效果。
这种变化似乎改变了神经元接近临界点的程度。在携带人类tau和人类ApoE变异的神经元中，ApoE4细胞在神经蛋白酶体活性仅丧失约20%时就开始积累不溶性tau。ApoE3神经元在丧失约60%后越过这一界限。而ApoE2神经元则要到活性被抑制约85%时才出现。
换句话说，APOE4本身并不导致缠结，但它使神经元失去了更多的储备。
“tau纤维形成与APOE变异以及衰老（阿尔茨海默病最大的风险因素）之间的联系表明，我们可能已经发现了一个机制，可以解释该疾病的一个重要方面是如何开始的。”拉马钱德兰说，“我们现在希望我们的发现能够导致开发出阻止tau缠结形成的疗法。”
衰老削弱同一系统
衰老——阿尔茨海默病的最大总体风险因素——也似乎侵蚀了这一保护机制。
在野生型小鼠中，膜定位的神经蛋白酶体随着年龄增长而逐渐下降，大约从12个月开始。人类脑组织显示出相关模式。携带两个APOE4副本的人，其神经蛋白酶体水平显著低于APOE3携带者，并且在tau病理严重的大脑区域中减少尤为明显。
人类组织分析比较了布罗德曼7区（含有大量tau缠结和神经退行性变）与布罗德曼4区（tau病理较少）。无论区域如何，APOE4携带者的神经蛋白酶体水平都更低。然而，在受影响更严重的区域，下降幅度更大。
这并不能证明神经蛋白酶体是阿尔茨海默病的唯一原因，该研究也没有重现该疾病在人类中缓慢、广泛的过程。实验依赖于对系统的急性破坏，而非多年积累的慢性损伤。作者还指出，APOE4导致的神经蛋白酶体水平降低本身并不足够。可能需要第二次打击，例如衰老或其他压力源，才能将神经元推过tau开始聚集的阈值。
尽管如此，这项研究提供了一个具体机制，将tau、APOE基因型和年龄相关脆弱性联系在一起。
新的早期治疗靶点
这可能会帮助重新引导治疗策略。
清除淀粉样蛋白的药物已显示出适度效果，但许多研究人员认为tau可能与认知衰退的过程联系更紧密。如果神经蛋白酶体有助于决定tau是保持可溶性还是开始形成纤维，那么保护该系统或对抗APOE4对其的影响，可能成为新的治疗目标。
该研究也提出了更广泛的问题。研究人员表示，未来的工作需要确定ApoE如何精确影响神经蛋白酶体的定位。另一个问题是，当表面系统受损时，为什么神经元似乎没有启动标准的保护反应。此外，他们还必须找出这一通路与后续事件（如tau扩散、神经退行性变和疾病进展）的关系。
目前，这项研究提供了阿尔茨海默病研究长期缺乏的东西：一个关于正常tau如何可能首次走上危险道路的合理一瞥。
研究的实际意义
这些发现表明，未来的阿尔茨海默病疗法可能需要比今天的治疗更早地发挥作用，即在tau缠结完全形成之前。
通过将神经蛋白酶体确定为可能的控制点，该研究开辟了一条通往药物的道路，这些药物可以保护这个处理系统，增强神经元对压力的抵抗力，或削弱APOE4的有害影响。
它还给了研究人员一种新的方法来研究tau聚集是如何开始的，这可以改进针对预防性疗法的筛选，旨在在重大记忆症状出现之前延缓疾病进程。
研究结果在线发表于《自然·神经科学》期刊。
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