撰文 | 章臺柳
責編 | 兮
Tau蛋白病（tauopathy）是一類以tau蛋白的病理性聚集為特徵的神經退行性疾病，這類疾病呈現出多樣化的臨床症候群，在不同病人之間甚至同一個家庭的病人之間的表現都不盡相同。原發性tau病是以神經元和膠質細胞內tau沉積為特徵，如皮克病（Pick’s disease，PiD）和皮質基底膜退化（corticobasal degeneration，CBD），而阿爾茲海默症（AD）是繼發性tau病，是以tau聚集體和細胞外澱粉樣斑塊為特徵。Tau異常如何導致這些不同的表型目前尚不清楚，但最近的結構研究鑑定出不同的tau摺疊形式，在不同的tau病中形成澱粉樣狀態的斑塊，即目前的假設是每一種tau病都可能具有疾病特異性、錯誤摺疊的tau構象特徵【1】。
分子水平上，錯誤摺疊的tau通過單體的不同構象進行聚集，形成的原絲通過多種方式橫向聚集成纖維。這種分層組裝導致分子和超微結構的多態性，從而導致每種tau病的獨特分子特徵。目前存在兩個關鍵問題：為什麼錯誤摺疊的tau分子總是組裝成疾病特異性的聚集體？tau和非tau的哪種組分介導了這種病理性自我組裝？翻譯後修飾（posttranslational modification，PTM）或是解釋tau病多樣性的原因之一，多種tau蛋白的PTM已經被鑑定，而且不同的tau病中檢測出不同的翻譯後修飾譜【2】。目前的假設是胺基酸序列的翻譯後修飾將調節tau單體的構象狀態，並在tau纖維的結構中表現出來，進而導致tau病多樣性。然而，由於是用鏈蛋白酶pronase處理tau和其他組織來源的蛋白絲以獲得高解析度的冷凍電子顯微鏡結構【3】，所以結構研究未能獲得PTM信息，也不清楚不同tau病變相關的特異性結構的形成過程。
2020年2月6日，來自美國梅奧診所的Leonard Petrucelli和哥倫比亞大學的 Anthony W.P. Fitzpatrick合作在Cell雜誌上發表文章Posttranslational Modifications Mediate the Structural Diversity of Tauopathy Strains，從CBD患者的腦組織中分離並解析了tau纖維絲的結構，利用冷凍電鏡和質譜技術揭示出翻譯後修飾的廣泛存在。通過對比CBD和AD中tau纖維絲的結構和位點特異性翻譯後修飾，證明了tau的泛素化修飾介導了原絲間的作用界面。從結構生物學的角度證明了翻譯後修飾能夠影響tau纖維絲的結構，從而導致了tau病的致病性分子的結構多樣性。
CBD的神經病理學特徵是局灶性皮質萎縮，皮質神經元腫脹（「氣球狀神經元」），其中含有磷酸化的神經絲；受影響的皮質和皮質下區域含有很多tau免疫反應性神經元過程（「線程」）和多形狀神經元內含物。構成CBD的tau損傷主要是含有四個微管結合重複序列的tau亞型（4R-tau），超微結構研究顯示具有直絲和扭曲絲兩種。研究人員首先從CBD患者的額葉皮質中提取不溶於十二烷基肌氨酸鈉的物質，並使用冷凍電鏡（cryo-EM）進行結構解析。Cryo-EM觀測到直絲和扭曲絲兩種形態，將其命名為單纖維絲和雙纖維絲，雙纖維絲的寬度是單纖維絲的兩倍，單/雙纖維絲的比例為1:2。Tau蛋白的核心結構由殘基K274-E380組成，涵蓋了R1（重複序列1）的尾端殘基、R2-R4的所有殘基和R4之後的12個胺基酸，形成了11個β摺疊股（β1-β3來自R2，β4-β6來自R3，β7-β10來自R4，β11由N368-E380組成），β摺疊股間通過β斷裂-脯氨酸、β轉折-甘氨酸、β弧度殘基相互連接。串聯重複序列R1-R4都含有一個通用的PGGG基序，在β3-β4間形成緊密的轉折或連接β6-β7、β10-β11形成延伸的β螺旋構象。β10-β3-β4-β7和β6-β5-β2之間形成多片狀、交叉性β作用界面。N、C末端通過將β1與β11結合對通用的原絲結構進行封閉。此外，疏水殘基F、I、L、V的不同組合能夠穩定大多數板間（inter-sheet）界面，殘基K281-N296和D358-H374構成了一個巨大的菱形親水性空腔，其中含有未知的有機物密度，而該密度不屬於tau分子。而且單纖維絲和雙纖維絲的CBD-tau核心部分都顯示含有非tau組分。
對比CBD和AD致病性tau纖維絲，發現兩者的片層內側鏈堆積和二級結構非常相似，主要區別在R2和R1的C端殘基在有序核結構中構象。CBD和AD的β摺疊股和環形成片段在R1或R2的C端殘基、R3、R4和R4之後的12個殘基完全相同，即tau分子能夠保留高度保守的二級結構序列的同時，錯配成無數的致病性構象。通過對比疾病特異性的原絲結構，發現片層間相互作用或導致tau纖維絲成核和增長的多樣性，如CBD的tau纖維絲通過K369-E380-R2、R4-R2、R2-R3、R3-R3進行塑形，而AD的tau纖維絲通過R3-R4、K369-E380-R3進行塑形。總的來說，不同的tau亞型（CBD中4R tau、AD和CTE中4R+3R tau、PiD中3R tau）通過在R1-R4、K369-E380之間的排列形成不同的片間接觸而聚集，從而導致tau纖維絲構象的多樣性。然而，每一種疾病都具有一種特徵性tau聚集，在多個患者和不同的腦區都觀察到，這意味著有其他因素能夠調控tau 纖維在體內的自我組裝，從而在每種tau病中忠實地呈現出疾病特異性tau聚集。
研究人員使用質譜技術（MS）對CBD和AD的tau纖維絲進行分析，發現tau纖維絲具有廣泛的翻譯後修飾（PTM），包括磷酸化、三甲基化、乙醯化和泛素化，磷酸化主要發生在塗層中，而R1-R4、K369-E380均具有乙醯化或泛素化修飾。CBD和AD的大多數乙醯化或泛素化位點都處於形成纖維的核心區域，表明這些修飾可能在病理性tau聚集中起作用。位點特異性乙醯化修飾通過中和帶正電的賴氨酸殘基產生的排斥作用將tau蛋白變得不易溶解，促進tau聚集，抑制病理性tau的降解。乙醯化能夠中和賴氨酸的電荷，且帶正電的側鏈之間的電荷斥力較小，有利於β摺疊股的平行、起始性堆積。CBD和AD中tau纖維絲的泛素化修飾不僅可能是降解的信號，而且可能在纖維化過程具有結構性作用。MS分析顯示CBD tau原絲的K343、K369、K375是泛素化位點，且密度分析顯示纖維絲核心周圍有額外的蛋白質連接。綜合MS和cryo-EM密度分析，AD和CBD中tau原絲可能是單單泛素化或多泛素化，泛素鏈的連接可以穩定β摺疊股沿著纖維的長軸進行堆疊。泛素化有利於穩定CBD中tau雙纖維絲間的作用界面，而且AD直絲中原絲之間的結合界面可以通過與泛素鏈的C端相互作用而穩定。
總的來說，研究解析了CBD患者的tau纖維絲結構，揭示了tau纖維絲中存在著多種翻譯後修飾且翻譯後修飾能夠影響tau纖維絲結構的形成，為研究tau病的病理進程和治療提供了新的視角。
原文連結：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.01.027
1. Fitzpatrick, A.W.P., and Saibil, H.R.(2019). Cryo-EM of amyloid fibrils and cellular aggregates. Curr. Opin. Struct.Biol. 58, 34–42.2.Park, S., Lee, J.H., Jeon, J.H., and Lee, M.J. (2018). Degradation or aggrega-tion: the ramifications of post-translational modifications on tau. BMB Rep. 51,265–273.3.Falcon, B., Zhang, W., Murzin, A.G., Murshudov, G., Garringer, H.J., Vidal, R.,Crowther, R.A., Ghetti, B., Scheres, S.H.W., and Goedert, M. (2018a). Struc-tures of filaments from Pick’s disease reveal a novel tau protein fold. Nature 561,137–140.