Nat Commun幹細胞藥理學研究新發現:激活自噬可清除tau蛋白

2020-12-05 腦科學君

Tau蛋白病變疾病主要表現為受損腦區神經元以及膠質細胞tau蛋白異常聚集和功能失調，這些疾病包括額顳葉痴呆（FTD）、進行性核上性麻痺（PSP）和阿爾茨海默病（AD）。遺憾的是，目前尚無針對tau病變的有效藥物，能夠到達臨床試驗的tau靶向藥物也少之又少。大量證據表明相較於晚期tau的纖維纏結，早期tau蛋白的異常定位、寡聚化和溶解性質的改變與神經毒性的關聯性更強。因此，尋找清除早期tau蛋白的方法可能有助於tau蛋白病變疾病的治療。

哈佛醫學院的Haggarty教授團隊對tau病變病人的誘導性多能幹細胞（iPSC）誘導形成的神經元細胞進行藥理學研究，發現了tau蛋白清除的自噬機制和小分子藥物。該研究於2020年6月發表於Nature Communications，題目為Prolonged tau clearance and stressvulnerability rescue by pharmacological activation of autophagy in tauopathyneurons。

Haggarty教授目前供職於哈佛醫學院神經病學系和麻省總醫院基因組醫學中心，是化學神經生物學實驗室主任和精神病學系藥物實驗和診斷中心負責人。其團隊主要致力於研究使神經系統能夠感知、適應和響應各種內外刺激的神經可塑性的分子和細胞機制，從而發掘靶向治療和預防神經精神疾病的藥物。

圖自haggartylab.org/stephen-j-haggarty/

1，tau蛋白病變神經元中自噬功能受損和人神經元自噬激活劑的發現

既往研究發現自噬功能受損是蛋白病變的一個重要特徵。為了研究這一點，該團隊分別誘導了兩個無tau病變受試者、1個攜帶tau-A152T風險變異的PSP病人和1個攜帶常染色體顯性變異tau-P301L的FTD病人的iPSC。這些病人的iPSC誘導形成的神經元細胞中均表達內源性的tau蛋白並能較好的模擬疾病相關表型。

檢測發現，自噬-溶酶體途徑的相關標誌物如與底物選擇和自噬小體合成相關的蛋白LC3-II，溶酶體相關膜蛋白LAMP1和LAMP2以及泛素結合自噬受體蛋白p62在tau病變神經元中均是升高的，提示tau蛋白病變引起自噬功能受損。

基於以上證據，該團隊在無tau病變受試者神經元細胞中對240個小分子藥物進行篩選尋找人體外神經元的自噬激活劑，最終發現了OSI-027、AZD2014和 AZD8055三個化合物相較於雷帕黴素在自噬激活中表現更加突出（圖1）。

圖1. 人體外神經元中激活自噬的化合物篩選

2，mTOR抑制劑可以降低FTD病人iPSC神經元的tau負荷並挽救tau介導的神經元應激障礙

以上三種化合物被預測為ATP競爭性的哺乳動物雷帕黴素靶蛋白（mTOR）抑制劑。為了進一步研究這些可以激活自噬的化合物在tau病變神經元中的作用，該團隊用不同濃度的OSI-027、AZD2014和 AZD8055（0.1uM-10uM）分別處理tau-A152T和tau-P301L變異的神經元24小時，並檢測神經元中的總tau蛋白（T-tau）和磷酸化tau（P-tau）水平。結果表明，這三種化合物不影響神經元活性並最大程度降低tau蛋白的藥物濃度是10uM（雷帕黴素為3uM）。

此外，在FTD病人誘導的神經元細胞中，tau蛋白的聚集往往和神經元應激障礙並存，而這種應激障礙會在澱粉樣蛋白β（Aβ）和興奮性神經遞質NMDA的刺激下表現的更加顯著。該團隊先使用mTOR抑制劑處理攜帶A152T變異的神經元8小時，之後加入Aβ和NMDA，隨後檢測細胞活性。溶劑對照組細胞活性僅為30%，雷帕黴素處理組挽救60%溶劑對照組的細胞活性，AZD8055挽救70%，OSI-027挽救80%，AZD2014挽救100% （圖2）。

圖2. 挽救tau-A152T神經元的應激障礙

3，mTOR抑制劑處理的神經元的溶酶體可以募集tau蛋白

為了進一步研究mTOR抑制劑清除tau的機制，該團隊使用10uM AZD2014、10uM OSI-027以及空白對照分別處理tau-A152T和tau-P301L神經元，並分別提取其溶酶體蛋白、外泌體蛋白和胞漿蛋白。結果表明，使用了mTOR抑制劑後，tau蛋白和P-tau主要富集在溶酶體中，而胞漿中的tau蛋白水平降低。

4，mTOR抑制劑對降低tau蛋白水平和毒性存在延長效應

使用mTOR抑制劑處理24小時的神經元tau蛋白的水平是降低的，但這一降低效應是瞬間的還是可以長久維持的呢？為了解答這一疑問，該團隊使用10uM OSI-027和AZD2014兩種藥物處理A152T神經元24小時（3uM雷帕黴素作為對照），更換新鮮培養基並在之後的20天內每天檢測tau蛋白水平和神經元活性。

在第一天的檢測中，OSI-027和AZD2014均降低了60%的tau蛋白水平，雷帕黴素降低了40%。在第8天，OSI-027降低了80%的tau水平（空白對照組降低了20%）；在第12天，AZD2014降低了80%-90%的tau水平。在第12天，雷帕黴素處理後的神經元tau水平開始升高，而OSI-027和AZD2014處理過的神經元需要16天才開始回升。以上結果提示mTOR抑制劑對降低tau蛋白水平有延長效應，OSI-027和AZD2014比雷帕黴素有更強的延長效力。（圖3）

圖3. mTOR抑制劑對tau蛋白的延長效應

結 論

Tau蛋白病變是腦中存在tau蛋白異常聚集的神經變性病的共同特點；病人的iPSC誘導形成的神經元細胞模型可以在體外模擬疾病表型，成為藥物研究的重要工具。

該研究在人神經元中發現自噬可以降低tau負荷，同時mTOR抑制劑OSI-027、AZD2014和AZD8055可以顯著降低磷酸化和不溶性tau的含量並能夠改善由tau導致的神經應激障礙。mTOR抑制劑對神經元自噬的調節機制可能有助於促進治療tau蛋白相關病變的藥物研發。

值得注意的是，mTOR抑制劑在腫瘤治療、器官移植和臨床試驗中被證實有較多副作用，這可能會給藥物的應用帶來不便，但這些副作用大多是劑量或給藥頻率相關並且是可逆的。該研究發現了OSI-027和AZD2014對tau蛋白的延長效應，也許未來可以通過間歇給藥方案來抵消部分副作用並提高患者對藥物的耐受性。

參考文獻：

Silva MC, Nandi GA, Tentarelli S, et al.Prolonged tau clearance and stress vulnerability rescue by pharmacologicalactivation of autophagy in tauopathy neurons. Nat Commun.2020;11(1):3258. Published 2020 Jun 26.

編譯作者：小言 (Brainnews創作團隊)

校審：Victoria, Simon (Brainnews編輯部)

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