微管相关蛋白tau与AD神经原纤维损伤
作者：廖峥嵘 琦祖和
单位：廖峥嵘：河北医科大学生物学教研室石家庄050017；琦祖和：北京协和医科大学基础所生化室
关键词：微管相关蛋白质类；tau蛋白质类；神经原纤维；损伤
河北医科大学学报990536
中图号 Q51
Alzheimer's Disease(AD)是老年人群中常见的、严重影响老年人身心健康的一种疾病,该病最特征性变化之一是神经细胞内神经原纤维缠结(NFT)的基本结构双股螺旋细丝(PHF)的大量沉积,而痴呆与PHF沉积的关系非常密切。已知PHF中的主要多肽是tau蛋白,其在不同年龄和不同发育阶段的人脑中的变化特别引人注目。有资料显示:在人胚胎期脑中tau蛋白含量丰富,在成熟期后逐渐减少以至于完全不见,而在老年期痴呆患者脑中又重新出现,并且患者脑中的PHF-tau和胎儿期tau在构型上以及磷酸化状态等方面都很相似。因此,研究tau蛋白的特性及其对AD的生物学和病理学影响是阐明AD发病机制的重要目标之一。
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1 tau蛋白的分子生物学特性
1.1 tau蛋白的结构及功能:tau蛋白最早是在脑脊液中发现的,tau蛋白的相对分子质量为55～62 KU,其基因已定位于人第19号染色体上,在tau蛋白结构中,最显著的特征是具有Pro-Gly-Gly-Gly的“重复串联”序列。
研究表明,tau蛋白借“重复串联”区与微管蛋白结合,刺激微管(MT)组装并维持其结构。而正常的tau蛋白一旦异常磷酸化,不仅不能与微管蛋白相结合,反而抑制了tau蛋白本身促进MT组装的能力;如果异常tau蛋白被去磷酸化,那么它的功能则得以恢复如初。此外,许多人主张tau蛋白的异常磷酸化,可导致tau蛋白与MT的结合松弛,从而诱发MT的不稳定性增高,而逐渐形成了PHF。
1.2 tau蛋白-AD PHF的亚单位:现已证实,AD患者脑中的NFT系PHF在神经原内的异常堆积,而PHF的亚单位是中枢神经系统(CNS)的tau蛋白衍生形成,称作PHF-tau[1]。PHF-tau除了在神经细胞轴索中存在外,在胞体、树突和异常轴索中也广泛存在。研究显示,在体外酸性环境中,人tau蛋白重组片段能聚合成类似PHF的结构[2],特别是最近,足够长的,含有4个“重复串联”序列的重组人tau蛋白(相当于441个氨基酸长度的CNS tau蛋白)在体外中性环境中聚合成了类似PHF的结构,显然,当在类似PHF生化、免疫学性质的体外环境中,使这些蛋白过度磷酸化,那么所形成的PHF比非磷酸化重组tau蛋白形成的细丝更类似于真正的PHF。
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2 PHF-tau蛋白的磷酸化
先前的许多观点及众多的实验室都试图鉴定tau蛋白磷酸化位点,以示区别正常成年人脑中tau蛋白和存在于AD患者NFT中的PHF-tau。人们通过各种方法对脑组织中的不同种类的tau蛋白的磷酸化状态进行比较,结果发现胎脑中Ser202、Ser396和Ser404位点有磷酸化形成,在成年人脑中除Ser404位点外,其余两位点不再有磷酸化形成;而AD患者脑中,Ser202、Ser396、Ser404以及Thr181、Thr231、Ser235、Ser262等位点上均可发生磷酸化[3](在Ser262位点上仅有部份PHF-tau可磷酸化),并且所有PHF-tau异常磷酸化主要位点为Ser/Pro或Thr/Pro结构。此外人胎儿CNS tau蛋白在Ser262位点上具有与MT结合的能力(虽然不如成年人CNS tau蛋白的结合的那样好),然而该位点若磷酸化则降低了与MT的结合力,同时该位点与apoE3结合的能力也有所丧失[4];而PHF-tau则完全丧失与MT结合的能力[5]。总之PHF-tau不仅是正常成年人CNS tau异常磷酸化形成的,而且PHF-tau部分地再现了正常人胎儿CNS tau磷酸化状态[6]。
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3 PHF-tau致病中的酶作用
越来越多的研究显示:磷酸脂酶和蛋白激酶对正常的CNS tau和AD PHF-tau的磷酸化与去磷酸化起着重要的调节作用。
相对于正常个体死后大脑的CNS tau蛋白来讲,PHF-tau的超磷酸化是由于AD大脑特定的磷酸脂酶成份的水平或活性降低,或者是磷酸酯酶缺失造成的。近来研究表明在人大脑活检标本中的磷酸脂酶2A(PP2A)和磷酸脂酶2B(PP2B)具有活性,且在特定位点上可使人CNS tau某种程度地去磷酸化[7]。例如用0.1 mol/L okadaic acid处理富含磷酸脂酶的人脑提取液,则Ser396位点上的去磷酸化作用被完全阻断[6]。更进一步,由于trifluozepan、calyculin A以及cantharidin也能抑制Ser396位点上的tau蛋白去磷酸化,而蛋白磷酸脂酶1却显示出了去磷酸化的能力[8],因此表明PP2A和PP2B与Ser396部位的tau去磷酸化作用有关。相比之下,除trifluozepan外,cantharidin和calyculin A具有阻断Ser202位点上的去磷酸化作用的能力,而PP2A可独立调节该位点上tau的去磷酸化作用。至此这些资料提示人们,在进行性AD患者脑中,磷酸脂酶(包括PP2A、PP2B在内)的活性可能发生失调或失活,进而引起PHF-tau异常磷酸化,使PHFS堆积在NFFS和营养不良的轴突。有报道AD患者脑中磷酸脂酶活性相对于同龄对照组来说下降几乎达30 %,这更充分说明大脑磷酸脂酶的不足是造成AD tau蛋白异常磷酸化的一个重要因素。
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此外,蛋白激酶在PHF-tau致病中也有很重要的作用。tau蛋白能被多种蛋白激酶所磷酸化,诸如CaMKⅡ(Ca2+/CaM依赖型蛋白激酶Ⅱ)、PKA(cAMP依赖型蛋白激酶)、蛋白激酶C、cdc2激酶和蛋白激酶FA等。有报道在体外,促细胞分裂剂蛋白激酶可使MTP tau在Ser/Pro和Thr/Pro位点上磷酸化,所产生的异常超磷酸化的tau形式与AD脑中发现的PHF-tau相类似。免疫化学水平检测,与相应同龄对照组比较,AD患者脑中促细胞分裂剂蛋白激酶激酶和促细胞分裂剂蛋白激酶增加了35 %～40 %,且在AD的早期阶段,前者含量即升高[9]。有资料说,在游离的PHF中有磷酸丝氨酸、磷酸苏氨酸和磷酸酪氨酸,这表明可能不仅一种蛋白激酶参与PHF的磷酸化作用。
值得注意的是胚胎期人脑中tau蛋白的含量丰富,但胎儿CNS中却不曾出现任何AD损伤,这可能是因为胎儿脑中激酶和磷酸脂酶能够调节胎儿tau的磷酸化状态,从而不致于引起类似AD大脑中PHF-tau的产生和积累。总之,目前普遍认为tau蛋白的磷酸化状态实质上是蛋白激酶和磷酸脂酶作用平衡的结果。
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4 PHF-tau的生物学和病理学意义
虽然对AD病理方面的了解还不够全面,但有关AD神经原纤维变性的研究资料揭示正常tau变成PHF-tau对AD患者的神经细胞确有有害的影响,因为AD皮质PHF-tau积累似乎与丰富的NFTS以及与正常MT减少水平密切相关。PHF-tau形成于神经细胞核周体,蛋白激酶和磷酸脂酶活性的异常或该项酶的缺乏均影响CNS tau的磷酸化状态,造成tau变成PHF-tau。最终形成PHFS,PHFS作为神经细胞网丝,又在神经细胞中积累,在核周体部位聚集成NFTS;在营养不良的轴突形成相应的斑,渐渐积累形成以淀粉样蛋白为核心的老年斑。此外,PHF-tau丧失了与MT结合的能力,引起MT解聚,阻塞了轴突运输功能,从而使患者神经细胞功能障碍且退化,最终结果是神经细胞的死亡。
近来研究者们通过对运动神经系统疾病的转基因鼠模型的研究,证实了PHFS的积累确实阻塞了轴突蛋白质及细胞器运输的观点[9],进而推测AD患者脑中正常CNS tau进行性改变成PHF-tau,可引起皮质连结的退化和丧失以及突触运输的损伤,接着便可能引起认识损伤的出现,而形成痴呆。
, 百拇医药
综上所述,神经原纤维损伤与PHF-tau的形成密切相关,而对PHF-tau磷酸化作用的研究又集中在磷酸化位点上和与其相关的蛋白激酶和磷酸脂酶的作用上。
参考文献
1.Goedert M,Jakes R,Crowther RA,et al.The abnormal phosphorylation of tau protein at sering202 in Alzheimer's disease recapitulates phosphorylation during development.Proc Natl Acad Sci USA,1993,90(16):5066
2.Crowther RA,Olesen OF,Jakes R,et al.The microtubule binding repeats of tau protein assemble into filaments like those found in Alzheimer's disease.EEBS Lett,1992,309(2):199
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3.Hasagewa M,Morishima-Kawashima M,Takio K,et al.Protein sequence and mass spectrometric analyses of tau of the Alzheimer's disease brain.J Biol Chem,1992,267(26):17047
4.Huang DY,Weisgraber KH,Goeder M,et al.ApoE3 binding to tau tandem repeat I is abolished by tau serine262 phosphorylation.Neurosce Lett,1995,192(3):209
5.Bramblett CT,Goedert M,Kakes R,et al.Abnormal tau phosphorylation at Ser396 in Alzheimer's disease recapitulates development and contributes to reduced microtubule binding.Neuron,1993,10(4):1089
, 百拇医药
6.Trojanowski JQ,Lee VM.Phosphorylation of paired helical filament tau in Alzheimer's disease neurofibrillary lesions:focusing on phosphatases.FASEB J,1995,9(15):1570
7.Matsuo ES,Shin RW,Billingsley ML,et al.Biopsyderived adult human brain tau is phosphorylated at mang of the same sites as Alzheimer's disease paired helical filament tau.Neuron,1994,13(3):989
8.Goedert M,Cohen ES,Jakes R,et al.P42 map kinase phosphorylation sites in microtubule associated protein tau are dephosphorylated by protein phosphatase 2A.FEBS Lett,1992,312(1):95
9.Collard JF.Defective axonal transport in a transgenic mouse model of amyotrophe lateral sclerosis.Nature,1995,373:61
收稿日期：1998-06-17, http://www.100md.com
单位：廖峥嵘：河北医科大学生物学教研室石家庄050017；琦祖和：北京协和医科大学基础所生化室
关键词：微管相关蛋白质类；tau蛋白质类；神经原纤维；损伤
河北医科大学学报990536
中图号 Q51
Alzheimer's Disease(AD)是老年人群中常见的、严重影响老年人身心健康的一种疾病,该病最特征性变化之一是神经细胞内神经原纤维缠结(NFT)的基本结构双股螺旋细丝(PHF)的大量沉积,而痴呆与PHF沉积的关系非常密切。已知PHF中的主要多肽是tau蛋白,其在不同年龄和不同发育阶段的人脑中的变化特别引人注目。有资料显示:在人胚胎期脑中tau蛋白含量丰富,在成熟期后逐渐减少以至于完全不见,而在老年期痴呆患者脑中又重新出现,并且患者脑中的PHF-tau和胎儿期tau在构型上以及磷酸化状态等方面都很相似。因此,研究tau蛋白的特性及其对AD的生物学和病理学影响是阐明AD发病机制的重要目标之一。
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1 tau蛋白的分子生物学特性
1.1 tau蛋白的结构及功能:tau蛋白最早是在脑脊液中发现的,tau蛋白的相对分子质量为55～62 KU,其基因已定位于人第19号染色体上,在tau蛋白结构中,最显著的特征是具有Pro-Gly-Gly-Gly的“重复串联”序列。
研究表明,tau蛋白借“重复串联”区与微管蛋白结合,刺激微管(MT)组装并维持其结构。而正常的tau蛋白一旦异常磷酸化,不仅不能与微管蛋白相结合,反而抑制了tau蛋白本身促进MT组装的能力;如果异常tau蛋白被去磷酸化,那么它的功能则得以恢复如初。此外,许多人主张tau蛋白的异常磷酸化,可导致tau蛋白与MT的结合松弛,从而诱发MT的不稳定性增高,而逐渐形成了PHF。
1.2 tau蛋白-AD PHF的亚单位:现已证实,AD患者脑中的NFT系PHF在神经原内的异常堆积,而PHF的亚单位是中枢神经系统(CNS)的tau蛋白衍生形成,称作PHF-tau[1]。PHF-tau除了在神经细胞轴索中存在外,在胞体、树突和异常轴索中也广泛存在。研究显示,在体外酸性环境中,人tau蛋白重组片段能聚合成类似PHF的结构[2],特别是最近,足够长的,含有4个“重复串联”序列的重组人tau蛋白(相当于441个氨基酸长度的CNS tau蛋白)在体外中性环境中聚合成了类似PHF的结构,显然,当在类似PHF生化、免疫学性质的体外环境中,使这些蛋白过度磷酸化,那么所形成的PHF比非磷酸化重组tau蛋白形成的细丝更类似于真正的PHF。
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2 PHF-tau蛋白的磷酸化
先前的许多观点及众多的实验室都试图鉴定tau蛋白磷酸化位点,以示区别正常成年人脑中tau蛋白和存在于AD患者NFT中的PHF-tau。人们通过各种方法对脑组织中的不同种类的tau蛋白的磷酸化状态进行比较,结果发现胎脑中Ser202、Ser396和Ser404位点有磷酸化形成,在成年人脑中除Ser404位点外,其余两位点不再有磷酸化形成;而AD患者脑中,Ser202、Ser396、Ser404以及Thr181、Thr231、Ser235、Ser262等位点上均可发生磷酸化[3](在Ser262位点上仅有部份PHF-tau可磷酸化),并且所有PHF-tau异常磷酸化主要位点为Ser/Pro或Thr/Pro结构。此外人胎儿CNS tau蛋白在Ser262位点上具有与MT结合的能力(虽然不如成年人CNS tau蛋白的结合的那样好),然而该位点若磷酸化则降低了与MT的结合力,同时该位点与apoE3结合的能力也有所丧失[4];而PHF-tau则完全丧失与MT结合的能力[5]。总之PHF-tau不仅是正常成年人CNS tau异常磷酸化形成的,而且PHF-tau部分地再现了正常人胎儿CNS tau磷酸化状态[6]。
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3 PHF-tau致病中的酶作用
越来越多的研究显示:磷酸脂酶和蛋白激酶对正常的CNS tau和AD PHF-tau的磷酸化与去磷酸化起着重要的调节作用。
相对于正常个体死后大脑的CNS tau蛋白来讲,PHF-tau的超磷酸化是由于AD大脑特定的磷酸脂酶成份的水平或活性降低,或者是磷酸酯酶缺失造成的。近来研究表明在人大脑活检标本中的磷酸脂酶2A(PP2A)和磷酸脂酶2B(PP2B)具有活性,且在特定位点上可使人CNS tau某种程度地去磷酸化[7]。例如用0.1 mol/L okadaic acid处理富含磷酸脂酶的人脑提取液,则Ser396位点上的去磷酸化作用被完全阻断[6]。更进一步,由于trifluozepan、calyculin A以及cantharidin也能抑制Ser396位点上的tau蛋白去磷酸化,而蛋白磷酸脂酶1却显示出了去磷酸化的能力[8],因此表明PP2A和PP2B与Ser396部位的tau去磷酸化作用有关。相比之下,除trifluozepan外,cantharidin和calyculin A具有阻断Ser202位点上的去磷酸化作用的能力,而PP2A可独立调节该位点上tau的去磷酸化作用。至此这些资料提示人们,在进行性AD患者脑中,磷酸脂酶(包括PP2A、PP2B在内)的活性可能发生失调或失活,进而引起PHF-tau异常磷酸化,使PHFS堆积在NFFS和营养不良的轴突。有报道AD患者脑中磷酸脂酶活性相对于同龄对照组来说下降几乎达30 %,这更充分说明大脑磷酸脂酶的不足是造成AD tau蛋白异常磷酸化的一个重要因素。
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此外,蛋白激酶在PHF-tau致病中也有很重要的作用。tau蛋白能被多种蛋白激酶所磷酸化,诸如CaMKⅡ(Ca2+/CaM依赖型蛋白激酶Ⅱ)、PKA(cAMP依赖型蛋白激酶)、蛋白激酶C、cdc2激酶和蛋白激酶FA等。有报道在体外,促细胞分裂剂蛋白激酶可使MTP tau在Ser/Pro和Thr/Pro位点上磷酸化,所产生的异常超磷酸化的tau形式与AD脑中发现的PHF-tau相类似。免疫化学水平检测,与相应同龄对照组比较,AD患者脑中促细胞分裂剂蛋白激酶激酶和促细胞分裂剂蛋白激酶增加了35 %～40 %,且在AD的早期阶段,前者含量即升高[9]。有资料说,在游离的PHF中有磷酸丝氨酸、磷酸苏氨酸和磷酸酪氨酸,这表明可能不仅一种蛋白激酶参与PHF的磷酸化作用。
值得注意的是胚胎期人脑中tau蛋白的含量丰富,但胎儿CNS中却不曾出现任何AD损伤,这可能是因为胎儿脑中激酶和磷酸脂酶能够调节胎儿tau的磷酸化状态,从而不致于引起类似AD大脑中PHF-tau的产生和积累。总之,目前普遍认为tau蛋白的磷酸化状态实质上是蛋白激酶和磷酸脂酶作用平衡的结果。
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4 PHF-tau的生物学和病理学意义
虽然对AD病理方面的了解还不够全面,但有关AD神经原纤维变性的研究资料揭示正常tau变成PHF-tau对AD患者的神经细胞确有有害的影响,因为AD皮质PHF-tau积累似乎与丰富的NFTS以及与正常MT减少水平密切相关。PHF-tau形成于神经细胞核周体,蛋白激酶和磷酸脂酶活性的异常或该项酶的缺乏均影响CNS tau的磷酸化状态,造成tau变成PHF-tau。最终形成PHFS,PHFS作为神经细胞网丝,又在神经细胞中积累,在核周体部位聚集成NFTS;在营养不良的轴突形成相应的斑,渐渐积累形成以淀粉样蛋白为核心的老年斑。此外,PHF-tau丧失了与MT结合的能力,引起MT解聚,阻塞了轴突运输功能,从而使患者神经细胞功能障碍且退化,最终结果是神经细胞的死亡。
近来研究者们通过对运动神经系统疾病的转基因鼠模型的研究,证实了PHFS的积累确实阻塞了轴突蛋白质及细胞器运输的观点[9],进而推测AD患者脑中正常CNS tau进行性改变成PHF-tau,可引起皮质连结的退化和丧失以及突触运输的损伤,接着便可能引起认识损伤的出现,而形成痴呆。
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综上所述,神经原纤维损伤与PHF-tau的形成密切相关,而对PHF-tau磷酸化作用的研究又集中在磷酸化位点上和与其相关的蛋白激酶和磷酸脂酶的作用上。
参考文献
1.Goedert M,Jakes R,Crowther RA,et al.The abnormal phosphorylation of tau protein at sering202 in Alzheimer's disease recapitulates phosphorylation during development.Proc Natl Acad Sci USA,1993,90(16):5066
2.Crowther RA,Olesen OF,Jakes R,et al.The microtubule binding repeats of tau protein assemble into filaments like those found in Alzheimer's disease.EEBS Lett,1992,309(2):199
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3.Hasagewa M,Morishima-Kawashima M,Takio K,et al.Protein sequence and mass spectrometric analyses of tau of the Alzheimer's disease brain.J Biol Chem,1992,267(26):17047
4.Huang DY,Weisgraber KH,Goeder M,et al.ApoE3 binding to tau tandem repeat I is abolished by tau serine262 phosphorylation.Neurosce Lett,1995,192(3):209
5.Bramblett CT,Goedert M,Kakes R,et al.Abnormal tau phosphorylation at Ser396 in Alzheimer's disease recapitulates development and contributes to reduced microtubule binding.Neuron,1993,10(4):1089
, 百拇医药
6.Trojanowski JQ,Lee VM.Phosphorylation of paired helical filament tau in Alzheimer's disease neurofibrillary lesions:focusing on phosphatases.FASEB J,1995,9(15):1570
7.Matsuo ES,Shin RW,Billingsley ML,et al.Biopsyderived adult human brain tau is phosphorylated at mang of the same sites as Alzheimer's disease paired helical filament tau.Neuron,1994,13(3):989
8.Goedert M,Cohen ES,Jakes R,et al.P42 map kinase phosphorylation sites in microtubule associated protein tau are dephosphorylated by protein phosphatase 2A.FEBS Lett,1992,312(1):95
9.Collard JF.Defective axonal transport in a transgenic mouse model of amyotrophe lateral sclerosis.Nature,1995,373:61
收稿日期：1998-06-17, http://www.100md.com