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谜团之一——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。
这项核心发现来自哥伦比亚大学研究团队，他们将tau蛋白损伤的最早阶段追溯至一种称为"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蛋白迅速错误折叠成双螺旋纤维。这种异常结构与阿尔茨海默病患者大脑中观察到的结构类型相同。
这项研究指出了tau病理学可能的起点，同时将该疾病的两大主要风险因素——衰老和APOE4基因变异——联系在一起。
"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，"哥伦比亚大学神经科学助理教授、该研究资深作者卡皮尔·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，它变得畸形并聚集形成缠结。这些缠结与认知症状恶化密切相关。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。尤其困难的是，tau蛋白在标准动物模型中的错误折叠方式与人类不同。
细胞表面的清理系统
拉马钱德兰的实验室先前已将神经蛋白酶体确定为跨越神经元外膜的额外清理系统。它似乎能破坏特别容易发生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，研究团队创建了专门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阻断。这一区别很重要，因为标准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事件。
使用新型抑制剂，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蛋白转变为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（无突变或过度表达）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；使用无活性对照化合物时也不会出现，这进一步证明是神经蛋白酶体本身驱动了这一变化。
tau呈现阿尔茨海默病样特征
研究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观察到的tau结构。
在小鼠中，将抑制剂注射到阿尔茨海默病严重影响的大脑区域——海马体后，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双螺旋纤维。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阿尔茨海默病样特征。tau蛋白在多个位点的磷酸化增加，与人类阿尔茨海默病脑组织中已知的标记物相匹配。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AT8染色升高，这是磷酸化tau的标准标记物。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体相关。
综合起来，这些结果表明，选择性神经蛋白酶体干扰足以触发从正常内源性tau蛋白开始的阿尔茨海默病相关tau聚集体的从头形成。
这很重要，因为早期的大多数工作都依赖于将患者大脑中预先存在的tau缠结引入动物。而这项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
当研究团队观察ApoE（一种已知与阿尔茨海默病风险密切相关）时，这些发现变得更加引人注目。APOE4已知会显著增加患病几率，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则产生相反效果——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ApoE则没有相同效果。
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%后达到这一临界点。而ApoE2神经元则要到抑制率约为85%时才会如此。
换句话说，ApoE4本身并不会导致缠结，但它使神经元几乎没有储备能力。
"tau纤维形成与APOE变体和衰老（阿尔茨海默病的最大风险因素）之间的联系表明，我们可能发现了能够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，我们的发现将推动开发出从源头上防止tau缠结形成的疗法。"
衰老削弱同一系统
衰老作为阿尔茨海默病最大的总体风险因素，似乎也会侵蚀这一保护机制。
在野生型小鼠中，膜定位神经蛋白酶体随年龄增长而逐渐减少，大约从12个月开始。人类脑组织显示出相关模式。拥有两个APOE4拷贝的人比APOE3携带者的神经蛋白酶体水平显著更低，且在tau病理严重的脑区，这种降低尤为明显。
人类组织分析比较了Brodmann 7区（具有大量tau缠结和神经退行性变的区域）与Brodmann 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，而且该研究并未重现人类中缓慢、广泛的疾病发展过程。实验依赖于系统的急性破坏，而非持续数年的慢性积累。作者还指出，ApoE4降低神经蛋白酶体水平本身并不足以导致疾病。可能需要第二次打击，如衰老或其他压力源，才能将神经元推过tau开始聚集的临界点。
尽管如此，这项工作提供了一个具体的机制，将tau、APOE基因型和年龄相关的脆弱性联系在一起。
治疗的新早期靶点
这可能有助于重新引导治疗策略。
淀粉样蛋白清除药物已显示出适度益处，但许多研究人员认为tau可能与认知能力下降的进程联系更为紧密。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，当这一表面系统受损时，为什么神经元似乎没有启动标准的保护反应。此外，他们必须弄清楚这一通路如何与tau扩散、神经退行性变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最初如何走上危险转变之路的合理一瞥。
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在tau缠结完全形成之前就采取行动，比当今的治疗方法更早。
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。
原始报道"Columbia University researchers discover new clues to Alzheimer's origins"发表在"The Brighter Side of News"。
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