数十年来，研究人员一直致力于解开阿尔茨海默病等神经退行性疾病的生物学原因。主要研究焦点一直是错误折叠蛋白质在大脑中聚集并损害神经元的现象。一项新研究揭示，特定的氨基酸重复链，即聚丝氨酸结构域，能够损害脑细胞并加剧与这些疾病相关的有毒蛋白质团块的积累。
研究结果表明，这些重复链可能是神经功能衰退的驱动因素。该研究发表在《美国国家科学院院刊》上。
要理解这项研究，有必要了解一种名为tau的蛋白质。在健康的大脑中，tau蛋白作为神经细胞内部骨架的稳定剂，有助于维持细胞内运输营养物质和分子的轨道。在统称为tau蛋白病的疾病中，包括阿尔茨海默病，tau分子会从这一结构上脱离，随后发生化学变化并粘在一起。这些粘性团块或聚集体形成缠结，扼杀细胞并最终导致其死亡。
研究人员正致力于确定导致tau从有益稳定剂转变为有毒团块的原因。先前的研究观察到，在患者大脑中，tau缠结通常伴随着其他某些蛋白质的出现。这些伴随蛋白质通常包含长串重复的丝氨酸氨基酸，科学家称这些串为聚丝氨酸结构域。
此外，这些聚丝氨酸链在特定遗传疾病中产生。亨廷顿病和8型脊髓小脑性共济失调等疾病是由基因编码错误引起的，其中一小段DNA重复次数过多，可能导致有毒重复蛋白质的产生，包括富含丝氨酸的蛋白质。
科罗拉多大学博尔德分校的研究员米根·范·阿尔斯泰恩(Meaghan Van Alstyne)领导了这项研究，以确定这些聚丝氨酸结构域是大脑疾病的旁观者还是积极参与者。她与同校生物化学杰出教授罗伊·帕克(Roy Parker)共同担任高级作者。研究团队试图回答仅聚丝氨酸的存在是否足以伤害哺乳动物大脑，以及它是否会加速tau引起的问题。
为调查这一点，研究团队使用了一种常见的实验室工具，称为9型腺相关病毒。这种病毒经过修饰不会引起疾病，而是作为运输载体将特定遗传指令送入细胞。研究人员向新生小鼠注射了这种病毒载体，该病毒向脑细胞传递指令，生产一种含有42个丝氨酸分子长尾的蛋白质。
研究人员首先观察了这种聚丝氨酸对正常野生型小鼠的影响。随着小鼠年龄增长，产生聚丝氨酸的小鼠出现了明显的身体和行为问题。它们的体重低于对照组，还表现出运动和协调困难。
研究团队使用转棒测试(rotarod assay)测试了小鼠的运动技能。该测试将小鼠放在一根水平旋转杆上，杆子随时间旋转加快。小鼠必须不断行走以避免掉落，类似于伐木工人在滚动原木上保持平衡。从四到六个月大，表达聚丝氨酸的小鼠比对照小鼠更早从杆子上掉下来。
行为变化也出现了。研究人员将小鼠放入一个离地升高的迷宫中，该迷宫有两条封闭臂和两条开放臂。小鼠天生偏爱封闭空间，因为它们感觉更安全。带有聚丝氨酸的小鼠在开放臂中花费更多时间，这种行为表明焦虑减少或缺乏自然谨慎。
研究团队还使用恐惧条件反射测试(fear conditioning assay)测试了记忆。在此测试中，小鼠学会将特定声音或环境与轻微足部电击联系起来。当稍后放回该环境时，具有正常记忆的小鼠会因预期而僵住。聚丝氨酸小鼠僵住的频率要低得多，这表明它们在学习和记忆方面存在严重缺陷。
为找出这些行为的生物学原因，范·阿尔斯泰恩和她的同事检查了小鼠的大脑，发现一种特定类型的神经元——浦肯野细胞——出现了戏剧性的损失。这些是位于小脑中的大型、形状独特的神经元，小脑是大脑中负责协调自主运动的部分。
研究中使用的病毒递送系统特别有效地靶向浦肯野细胞。在接受聚丝氨酸基因的小鼠中，这些细胞基本上被消灭了，这些细胞的损失很可能解释了转棒测试中观察到的协调问题。
除了细胞死亡外，研究人员还观察到胶质增生的迹象。这是一种大脑支持细胞（称为胶质细胞）过度活跃的反应，是炎症和损伤的标志。大脑正在将聚丝氨酸视为有毒物质做出反应。
研究人员随后调查了聚丝氨酸在存活神经元内的去向。他们发现该蛋白质并未留在细胞主体内，而是积聚在细胞核内。细胞核是含有DNA的细胞控制中心，聚丝氨酸在细胞核内形成大团块。这些团块被泛素标记，泛素是细胞用于标记垃圾以便处理的小分子，这表明细胞正试图清除有毒蛋白质但未能成功。
在确定聚丝氨酸本身具有毒性后，研究人员测试了它对tau的影响。他们使用了一种经过基因工程改造的特定小鼠品系，可产生人类tau的突变形式。这些小鼠随着年龄增长会自然发展出tau缠结和神经退行性变。
研究团队向这些易患tau病的小鼠注射了产生聚丝氨酸的病毒。结果显示，聚丝氨酸就像火上浇油。同时表达突变tau和聚丝氨酸的小鼠比仅表达突变tau的小鼠显著早死。
当研究人员分析这些小鼠的脑组织时，他们发现了疾病标记物水平升高。磷酸化tau增加，磷酸化是一种促进聚集的化学变化。研究还发现更多不溶性tau，指无法溶解的硬性缠结。
此外，研究团队测量了tau的"种子"能力。在疾病状态下，错误折叠的tau可以像模板一样作用，使正常tau错误折叠，导致病理从一个细胞传播到另一个细胞。含有聚丝氨酸的小鼠的脑提取物在诱导测试细胞中聚集的能力更高，这表明聚丝氨酸使tau病理更具攻击性和可传播性。
最后，研究人员询问这种效应是否对丝氨酸具有特异性。他们将其与其他遗传疾病中常见的重复氨基酸链（如聚谷氨酰胺和聚丙氨酸）进行了比较，将这些不同的链引入在培养皿中生长的人类神经元。结果显示高度特异性，只有聚丝氨酸链将tau分子招募到它们的簇中，聚谷氨酰胺和聚丙氨酸链则没有。聚丝氨酸和tau之间的这种物理相互作用似乎是加速有毒tau种子形成的机制。
这项研究有一些需要注意的地方。研究使用病毒迫使细胞产生高水平的聚丝氨酸，这可能导致蛋白质浓度高于人类疾病中自然发生的水平。未来研究需要确定较低的、自然水平的聚丝氨酸是否会在人类寿命期间造成同等程度的伤害。
作者还指出，虽然他们在小脑中观察到大量细胞死亡，但海马体等其他大脑区域尽管含有该蛋白质，似乎对细胞损失更具抵抗力。了解为什么一些神经元死亡而其他神经元存活可能为保护提供线索。
这项研究表明，聚丝氨酸不仅是疾病的被动标志物，这些重复结构域是主动毒素，能够杀死神经元并恶化tau蛋白病，这为治疗开辟了一个潜在的新途径。如果科学家能够阻断聚丝氨酸和tau之间的相互作用，他们可能能够减缓阿尔茨海默病等疾病的进展。
帕克表示："如果我们真的想治疗阿尔茨海默病和许多其他疾病，我们必须尽可能早地阻断tau。这些研究对于理解tau为何在细胞中聚集以及我们如何干预是一个重要的前进步骤。"
这项题为《聚丝氨酸结构域具有毒性并加剧小鼠tau病理》的研究由米根·范·阿尔斯泰恩(Meaghan Van Alstyne)、范妮莎·L·阮(Vanessa L. Nguyen)、查尔斯·A·霍弗(Charles A. Hoeffer)和罗伊·帕克(Roy Parker)共同完成。
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