一种位于脑细胞表面的脆弱清理系统可能有助于解释阿尔茨海默病最古老的谜题之一。它可能揭示了普通tau蛋白如何首先转变为与记忆丧失和认知能力下降相关的扭曲纤维。
这一核心发现来自哥伦比亚大学的研究团队，他们将tau蛋白损伤的最早阶段追溯到一种称为神经蛋白酶体(neuroproteasome)的神经元特异性蛋白质处理系统。当该系统受到干扰时，tau蛋白迅速错误折叠成成对螺旋纤维。这正是在阿尔茨海默病患者大脑中看到的同类型异常结构。
这项工作指出了tau病理学可能的起点，并将该疾病的两大主要风险因素——衰老和APOE4基因变体——联系起来。
"先前的研究无法捕捉阿尔茨海默病中tau蛋白最初如何错误折叠，但如果我们希望创造能在神经退行性变开始前预防疾病的疗法，理解tau蛋白聚集是如何开始的至关重要，"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(Kapil Ramachandran)表示。
tau蛋白通常有助于稳定神经元。在阿尔茨海默病中，它会变形并聚集成缠结。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蛋白最初是如何开始这种转变的。特别是因为它在标准动物模型中的错误折叠方式与人类不同。
细胞表面的处理系统
拉马钱德兰的实验室先前已确定神经蛋白酶体是一种跨越神经元外膜的额外处理系统。它似乎可以破坏那些特别容易错误折叠的新生蛋白质。
"在我们的新研究中，我们想知道如果阻断神经蛋白酶体会发生什么，"拉马钱德兰说。"我们必须构建一套分子工具来实现这一点。就在那时，我们发现了tau纤维。"
为此，研究团队创建了设计用于阻断神经蛋白酶体的膜不可渗透抑制剂。这些抑制剂在不关闭细胞内部蛋白酶体的情况下实现了这一目的。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，这些反应可能会掩盖神经元表面发生的特定情况。
使用新的抑制剂，研究人员发现，在原代小鼠神经元中阻断神经蛋白酶体导致内源性tau转变为sarkosyl不溶性形式。这是一种与聚集相关的生物化学特征。在携带正常水平人类tau蛋白（无突变或过表达）的小鼠神经元中也发生了同样的情况。
当tau缺失时，这种效应不会出现。使用非活性对照化合物时也不会出现，这加强了神经蛋白酶体本身驱动这一变化的论点。
tau表现出类似阿尔茨海默病的特征
随后，研究团队询问这些新形成的聚集体是否类似于在阿尔茨海默病中看到的tau结构。
在小鼠中，将抑制剂注射到海马体（阿尔茨海默病中受严重影响的大脑区域）后，研究人员发现了大量不溶性tau。电子显微镜显示扭曲的纤维类似于成对螺旋纤维。此外，免疫金标记证实这些纤维含有tau。
这些结构还具有其他类似阿尔茨海默病的特征。tau在多个位点显示出增加的磷酸化，这些位点与人类阿尔茨海默病脑组织中的已知标记相匹配。这些位点包括对应于人类Ser202、Thr205、Thr217和Ser404的位点。在脑切片中，研究小组检测到升高的AT8染色，这是一种磷酸化tau的标准标记。还观察到硫黄素S阳性的火焰状和线状包涵体，均与聚集的蛋白质组装相关。
综合起来，这些结果表明，选择性神经蛋白酶体破坏足以从正常的内源性tau触发阿尔茨海默病相关tau聚集体的从头形成。
这一点很重要，因为大多数早期工作都依赖于将患者大脑中预先存在的tau缠结引入动物。而本研究则聚焦于这一过程可能如何开始。
APOE4似乎降低了临界阈值
当研究团队研究ApoE（一种与阿尔茨海默病风险密切相关的蛋白质）时，发现变得更加引人注目。APOE4已知会显著增加患该疾病的风险，而APOE2则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。在人源化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则产生了相反的效果，它增加了神经蛋白酶体的定位。
在用细胞外脂化ApoE颗粒处理的培养神经元中也观察到了相同的模式。脂化ApoE4减少了表面神经蛋白酶体，而脂化ApoE2则增加了它们。去脂化的ApoE则没有相同的效果。
这种转变似乎改变了神经元接近临界点的程度。在同时携带人类tau和人类ApoE变体的神经元中，ApoE4细胞在神经蛋白酶体活性仅损失约20%后就开始积累不溶性tau。ApoE3神经元在损失约60%后才越过这一界限。而ApoE2神经元则要到大约85%被抑制后才会如此。
换句话说，ApoE4本身不会导致缠结，但它使神经元的储备大幅减少。
"tau纤维形成与APOE变体以及衰老（阿尔茨海默病最大的风险因素）之间的联系表明，我们可能发现了一种解释疾病重要方面如何开始的机制，"拉马钱德兰说。"我们现在的希望是，我们的发现将引导开发出防止tau缠结首先形成的疗法。"
衰老削弱了同一系统
衰老，阿尔茨海默病最大的总体风险因素，似乎也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。拥有两份APOE4拷贝的人比APOE3携带者具有显著更低的神经蛋白酶体水平，且在tau病理严重的脑区，这种降低尤为明显。
对人类组织的分析比较了布罗德曼7区（具有大量tau缠结和神经退行性变的区域）与布罗德曼4区（tau病理较少的区域）。无论区域如何，APOE4携带者的神经蛋白酶体水平都较低。然而，在受影响更严重的区域，下降更为显著。
这并不能证明神经蛋白酶体是阿尔茨海默病的唯一原因，而且该研究并未重现该疾病在人类中的缓慢、广泛病程。实验依赖于系统的急性破坏，而不是在数年内展开的慢性积累。作者还指出，ApoE4对神经蛋白酶体水平的降低本身并不足够。可能需要第二次打击，如衰老或其他压力因素，才能将神经元推过tau开始聚集的阈值。
尽管如此，这项工作提供了一个将tau、APOE基因型和年龄相关脆弱性联系在一起的具体机制。
治疗的新早期靶点
这可能有助于重新引导治疗策略。
清除淀粉样蛋白的药物显示出适度的益处，但许多研究人员认为tau可能与认知衰退的过程更紧密相关。如果神经蛋白酶体有助于确定tau是保持可溶性还是开始形成纤维，那么保护该系统或抵消ApoE4对其的影响可能成为一个新的治疗目标。
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定位。另一个问题是，为什么当这一表面系统受损时，神经元似乎不会启动标准的保护反应。此外，他们必须找出这一通路如何与tau扩散、神经退行性和疾病进展等后期事件相关联。
目前，这项研究提供了阿尔茨海默病研究长期缺乏的东西：正常tau可能首先发生危险转变的合理一瞥。
研究的实际意义
研究结果表明，未来的阿尔茨海默病疗法可能需要比当前治疗方法更早介入，在tau缠结完全形成之前采取行动。
通过将神经蛋白酶体确定为可能的控制点，该研究为开发保护这一处理系统、增强神经元对压力的抵抗力或减弱APOE4有害影响的药物开辟了道路。
它还为研究人员提供了一种研究tau聚集如何开始的新方法，这可能有助于改善针对在主要记忆症状出现前减缓疾病的预防性疗法的筛选。
研究结果已在线发表在《自然神经科学》(Nature Neuroscience)期刊上。
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