第五节　tau蛋白

阿尔茨海默病的主要神经病理特征包括:神经细胞内的神经元纤维缠结(neurofibrillary tangle，NFT);神经细胞外的神经变性斑，又称老年斑(SP);大量神经细胞的凋亡丧失等。而与NFT发生有密切关系的神经蛋白是tau蛋白(τ蛋白)，可以认为异常磷酸化及糖基化修饰tau蛋白的病理性沉积最终导致NFT的形成。

tau蛋白病理改变和聚集，主要涉及AD脑病理发展，也与其他类型痴呆脑病理过程相关，值得在痴呆脑病理生物化学研究中关注。

一、NFT的结构特征

AD脑中神经元纤维缠结是导致神经元纤维退化的主要原因。与同龄正常及其他脑神经疾病患者脑比较，AD脑内NFT数量更多、分布遍及整个大脑。分析证明NFT中含有神经丝蛋白、tau蛋白等微管相关蛋白及泛素蛋白等成分，NFT实质是神经元内异常细胞骨架成分组成的包涵体。AD脑的神经元纤维退行性改变能产生束状神经元纤维缠结，它可随病程发展而增多并与临床痴呆程度相关。目前认为，AD的NFT与SP两种主要病理改变互相独立发生，但二者有相互作用。如单独Aβ的沉积而没有神经元纤维的退变，患者并不重现AD的症状，提示NFT引起的神经纤维退化在AD发病中有重要作用。

NFT的主要成分是成对螺旋丝(paried helical filaments，PHF)。电镜下PHF由两条直径14～18 nm的细丝逆时针缠绕形成，呈宽28～36 nm、周期70～90 nm的构象。PHF形成平行束状以细丝彼此连接成混合微丝。PHF表现独特的不溶解性和对蛋白酶解的抵抗性，使其生化分析很晚才完成。现在清楚，tau蛋白是组成PHF/NFT的唯一必需成分。PHF的亚单位主要是过度磷酸化的tau蛋白，和少量微管相关蛋白MAP²、MAP⁵等，NFT过分形成时能继发性加入泛素蛋白、Aβ等。

二、神经细胞骨架蛋白的组成和功能

中枢神经细胞中纤维状骨架结构包括微管蛋白组成的微管，肌动蛋白为主构成的微丝和中间丝。组成神经细胞骨架结构的蛋白有以下种类。

(一)微管蛋白

中枢神经组织富含微管，微管参与神经元轴浆流运输。微管蛋白占微管总蛋白的80%。

(二)微管相关蛋白

可占微管总蛋白质15%～20%，包括分子量较高的MAP¹和MAP²及分子量低的tau蛋白类。MAP可参与微管与神经纤丝之间连接。MAP和tau蛋白通过可逆的磷酸化修饰调节细胞骨架的聚合或解聚。还有几类蛋白参与微管装配的调节。

(三)肌动蛋白

在神经元和胶质中主要含β及γ肌动蛋白，是构成微丝的主要成分。还有多种蛋白参与肌动蛋白结合或集束作用调节，调控微丝的聚合及解聚。

(四)神经中丝蛋白(NF)

神经中丝蛋白可占轴索总蛋白的25%，由三种蛋白组成，参与构成直径8～10 nm的神经元中间丝，又称中等纤维。

(五)胶质纤维酸性蛋白(GFAP)

为胶质细胞中间丝主要成分，特异存在星形细胞，可作为标记蛋白用于星形细胞鉴定及脑肿瘤的免疫组化诊断。

三、tau蛋白的结构和功能

tau蛋白是正常脑组织存在的磷酸蛋白，是含量最高的微管相关蛋白。微管系统参与多种细胞功能，神经元胞体与轴突间营养物质运输依赖于微管系统的完整性。正常脑中tau蛋白的细胞功能在于，一是与微管蛋白结合促进其聚合形成微管，tau蛋白结合的微管蛋白可作为微管组装早期的核心，进而促进其他微管蛋白在此核心上延伸聚集形成微管;二是可维持并加强微管的动力学稳定性，降低微管蛋白的解离，并诱导微管成束。

tau蛋白基因位于17染色体长臂，含16个外显子。正常人中由于tau蛋白mRNA剪辑方式的不同，可表达出含352～441个氨基酸的6种同工异构体，其结构差异在于N端有0～2个含29氨基酸的插入子，及C端区含3～4个含31～32氨基酸的重复序列，该区称微管结合决定区，是生理条件下结合微管蛋白的部位。tau蛋白为含磷酸基蛋白，正常成熟脑中tau蛋白含2～3个磷酸化位点。而胚胎脑中tau蛋白含6～8个磷酸基，脑成熟过程tau蛋白被选择性脱磷酸。胚胎脑的tau蛋白虽高度磷酸化但具有完好生物功能。而AD患者脑PHF中的tau蛋白表现过度磷酸化，每分子可含5～9个磷酸基，但有异常的聚合及糖基化特性，尤其是丧失正常微管结合、装配生物功能。

四、tau蛋白的异常磷酸化

研究证明，NFT形成早期伴有异常磷酸化的tau蛋白堆积。AD脑中tau蛋白总量更多，但正常tau蛋白减少而异常过度磷酸化tau蛋白大量增加，主要在神经元的胞浆、树突及轴突。发现PHF中tau蛋白(PHF-tau)可有21个可异常磷酸化的丝/苏氨酸位点，多位于微管结合决定区两侧，过度磷酸化后其与微管蛋白的结合力降至正常的1/10，因此丧失促进微管装配形成的功能^［22］。另外，过度磷酸化的tau蛋白丧失维持微管稳定的作用，PHF-tau可与微管蛋白竞争结合正常tau蛋白及其他大分子微管相关蛋白，并从微管上夺取这些蛋白，导致正常的微管解聚，异常磷酸化的tau蛋白则自身聚集装配成PHF/NFT结构。这使AD脑中受累神经元微管结构广泛破坏，正常轴突转运受损，引起突触丢失及神经元功能损伤，发生脑神经退行性病变。AD患者脑中可发现三种tau蛋白，即胞浆正常tau蛋白(Ctau)、可溶于水的异常磷酸化tau蛋白(ADP-tau)以及异常修饰聚集成PHF的tau蛋白(PHF-tau)，后者存在泛素蛋白修饰。它们可能代表神经元纤维退化过程的不同阶段。

AD脑tau蛋白的异常磷酸化机制被广泛研究，现在认为，tau蛋白磷酸化程度是体内多种特异蛋白激酶的磷酸化和蛋白磷酸酯酶脱磷酸两种作用间平衡的结果。tau蛋白的磷酸化与脱磷酸间平衡对微管的稳定性又是关键控制因素。

(一)蛋白磷酸酯酶与tau蛋白磷酸化

内源性磷酸酯酶催化tau蛋白脱磷酸基，哺乳动物丝/苏氨酸磷酸酯酶有四种，即PP-1、PP-2A、PP-2B、PP-2C。磷酸酯酶PP-2A、PP-2B在限制AD脑tau蛋白异常过度磷酸化方面起关键作用，特别PP-2A活性最强。磷酸酯酶活性正常可维持细胞骨架完整，而其活性降低可导致tau蛋白的过度磷酸化。实验加入PP-1或PP-2A的抑制剂可引起培养大鼠海马神经元微管减少和突触及树突丢失，伴有tau蛋白的过度磷酸化^［23］。现已证明，AD患者脑中磷酸酯酶PP-2A、PP-2B、PP-1及酪氨酸磷酸酯酶(PTP)活性均低于正常老人。另外发现PHF-tau有抵抗磷酸酯酶的作用，使PHF-tau脱磷酸需更多磷酸酯酶用量，脱磷酸位点也更少。这是由于PHF/NFT空间构象对其tau蛋白脱磷酸基有位阻作用。

有研究者认为，AD患者大脑磷酸酯酶活性缺乏可能是引起tau蛋白过度磷酸化的主要原因。体外用PP-2A、PP-2B或PP-1使ADP-tau脱磷酸基可一定程度恢复tau蛋白促进微管组装作用，加大酶量也可使PHF-tau脱磷酸恢复部分功能，而PP-2A的这一恢复活性最强。提示某些AD脑病理损伤可被磷酸酯酶逆转。

(二)蛋白激酶与tau蛋白磷酸化

体外可促进tau蛋白发生AD样磷酸化的蛋白激酶有多种，如糖原合酶激酶-3β(GSK-3β)等。既有脯氨酸指导的蛋白激酶，如细胞外信号相关的蛋白激酶(ERKs)及细胞分裂周期激酶-2(cdc-2)、周期蛋白依赖蛋白激酶-5(cdk-5)等;也有非脯氨酸指导的蛋白激酶，如PKA、PKC等^［24］。AD发生时可能有几种蛋白激酶参与tau蛋白的过度磷酸化。实验发现，AD脑存在控制tau蛋白磷酸化途径异常激活，某些蛋白激酶活性在AD脑中显著增强。

五、tau蛋白异常糖基化

在AD脑中过度磷酸化的tau蛋白还存在与糖分子有关的异常修饰。一是糖基化修饰，由特异糖基转移酶催化甘露糖、半乳糖、唾液酸等糖基连接于tau蛋白形成O-糖苷键和N-糖苷键，生成的糖基可被特异糖苷酶水解除去。另外一种称糖化修饰指tau蛋白分子富含的赖氨酸可被糖分子不可逆非酶促修饰，产生不溶性抗酶解的交联体分子(AGEs)。

AD脑的tau蛋白由于发生异常过度磷酸化和糖基化/糖化修饰，最终导致其丧失生物功能，神经细胞微管系统破坏及形成PHF/NFT病理结构，这两种修饰可相互影响。用特异糖苷酶使PHF/NFT去糖基化，能改变NFT构象，但不能恢复其tau蛋白的生物功能。但可使PHF/NFT对磷酸酯酶PP-2A恢复tau蛋白功能作用更敏感。说明糖基化修饰涉及维持PHF/NFT结构的稳定，异常磷酸化才是tau蛋白功能缺陷的直接原因。tau蛋白的糖基化导致分子间广泛交联，可引起氧自由基产生的氧应激，后者介导Aβ释放及白介素及干扰素等细胞因子表达增加。

六、tau蛋白的遗传学

至今尚未发现直接与AD发病相关的tau蛋白基因异常。近年发现一类家族性神经退行性疾病称为与17染色体连锁的额颞叶痴呆和帕金森病(FTDP-17)，该病患者有多种tau蛋白基因突变，显示tau蛋白与神经退行性改变相关。tau蛋白基因突变包括:tau基因编码区突变，如12外显子点突变;编码区错义突变，分别位于9、10、13外显子。某些微管结合区保守残基的突变可影响tau蛋白与微管结合功能并易于异常聚集，使该家族患者脑中表现AD典型的PHF/NFT。另外有非编码区突变，如外显子10剪切位点的突变可引起外显子10异常剪切，使患者脑内含3个或4个重复序列的异构体组成比例改变。如某种tau蛋白基因突变破坏tau蛋白与微管蛋白的正常结合，将引起微管系统损伤及神经元死亡，也可能与AD发病相关。(www.daowen.com)

七、tau蛋白与老年性痴呆临床

阿尔茨海默病患者脑中存在大量异常修饰tau蛋白，其对AD病理发生有重要作用，可涉及AD的临床诊断和治疗。

(一)血浆、脑脊液tau蛋白水平分析

患者血浆、脑脊液(CSF)中tau蛋白测定可用酶联免疫吸附法(ELISA)，研究表明老年痴呆患者CSF中tau蛋白水平比同龄正常及非神经疾病患者组均显著增高。可将它用于AD诊断及疗效观察，其敏感性为82%，特异性达70%。如同时测定出受测者CSF中tau蛋白水平增加及Aβ⁴²水平降低，对老年性痴呆诊断的特异性可达70%～90%。

(二)发展阻断tau蛋白异常修饰药物

可研究阻断tau蛋白异常修饰的治疗AD新药物。如发展蛋白磷酸酯酶PP-2A、PP-2B类或该酶激活剂类药物，可能对神经元纤维退化有抑制甚至逆转的作用。也可考虑用糖基转移酶抑制剂或特异糖苷酶类限制tau蛋白的异常糖基化。

(崔　行)　　

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