神经元表面存在的一种脆弱清理系统可能有助于解释阿尔茨海默病最古老谜团之一。它可能揭示了普通tau蛋白如何首先转变为与记忆丧失和认知能力下降相关的扭曲纤维。
这是哥伦比亚大学研究团队的核心发现，他们追溯了tau蛋白损伤的最早阶段，将其与一种称为"神经蛋白酶体"的神经元特异性蛋白质处理系统联系起来。当该系统被破坏时，tau蛋白迅速错误折叠成成对螺旋细丝。这与阿尔茨海默病患者大脑中观察到的异常结构属于同一大类。
这项工作指出了tau蛋白病理学的一个可能起点，并且将该疾病的两大主要风险因素——衰老和APOE4基因变体——联系起来。
"先前的研究无法捕捉阿尔茨海默病中tau蛋白最初如何错误折叠，但如果我们想要创造在神经退行性变开始之前就能预防的疗法，理解tau蛋白聚集是如何开始的至关重要，"该研究的资深作者、哥伦比亚大学神经科学助理教授Kapil Ramachandran说道。
tau蛋白通常有助于稳定神经元。在阿尔茨海默病中，它变得变形并聚集形成缠结。这些缠结与认知症状的恶化密切相关。然而，研究人员一直难以解释正常的tau蛋白最初是如何开始这一转变的。特别是在标准动物模型中，tau蛋白不像在人体中那样发生错误折叠。
神经蛋白酶体：细胞表面的处理系统
Ramachandran的实验室先前已将神经蛋白酶体确定为跨越神经元外膜的额外处理系统。它似乎会破坏特别容易错误折叠的新生蛋白质。
"在我们的新研究中，我们想看看如果我们阻断神经蛋白酶体会发生什么，"Ramachandran说。"我们必须构建一套分子工具来实现这一点。就在那时，我们发现了tau纤维。"
为此，研究团队创建了膜不可渗透的抑制剂，旨在阻断神经蛋白酶体。这些抑制剂在不关闭细胞内部蛋白酶体的情况下做到了这一点。这种区别很重要，因为标准的蛋白酶体抑制剂会影响整个细胞并触发更广泛的清理反应，这些反应可能会掩盖神经元表面发生的特定情况。
使用这些新抑制剂，研究人员发现，在原代小鼠神经元中阻断神经蛋白酶体导致内源性tau蛋白转变为不溶于Sarkosyl的形式。这是一种与蛋白质聚集相关的生物化学特征。在携带正常水平人类tau蛋白（无突变或过表达）的小鼠神经元中也发生了同样的情况。
当tau蛋白缺失时，这种效应不会出现；使用非活性对照化合物时也不会出现，这加强了神经蛋白酶体本身驱动这一变化的证据。
tau蛋白呈现出阿尔茨海默病样特征
随后，研究团队询问这些新形成的聚集体是否类似于阿尔茨海默病中观察到的tau蛋白结构。
在小鼠中，将抑制剂注射到阿尔茨海默病严重影响的脑区——海马体后，研究人员发现了大量不溶性tau蛋白。电子显微镜显示扭曲的纤维类似于成对螺旋细丝。此外，免疫金标记证实这些纤维含有tau蛋白。
这些结构还表现出其他阿尔茨海默病样特征。tau蛋白在几个位点的磷酸化增加，这些位点与人类阿尔茨海默病脑组织中的已知标记相匹配，包括对应于人类Ser202、Thr205、Thr217和Ser404的位点。在脑切片中，研究小组检测到AT8染色升高，这是一种磷酸化tau蛋白的标准标记。还观察到硫黄素S阳性的火焰状和线状包含体，两者都与聚集的蛋白质组装有关。
综合起来，这些结果表明，选择性神经蛋白酶体破坏足以从正常的内源性tau蛋白触发阿尔茨海默病相关tau聚集体的从头形成。
这很重要，因为早期的大多数工作都依赖于将患者大脑中预先存在的tau缠结引入动物。而本研究则专注于这一过程可能如何开始。
APOE4似乎降低了阈值
当研究团队观察ApoE（一种已与阿尔茨海默病风险密切相关）时，这些发现变得更加引人注目。APOE4已知会显著增加患该疾病的风险，而APOE2则被认为具有保护作用。
研究人员发现ApoE及其受体Lrp1与神经蛋白酶体相互作用。在人源化ApoE小鼠模型中，与ApoE3和ApoE2小鼠相比，ApoE4小鼠的细胞表面神经蛋白酶体水平大幅降低。ApoE2则产生相反的效果，它增加了神经蛋白酶体的定位。
在用细胞外脂化ApoE颗粒处理的培养神经元中也观察到同样的模式。脂化ApoE4减少了表面神经蛋白酶体，而脂化ApoE2增加了它们。去脂化的ApoE则没有这种效果。
这种转变似乎改变了神经元接近临界点的程度。在携带人类tau蛋白和人类ApoE变体的神经元中，当神经蛋白酶体活性仅损失约20%时，ApoE4细胞就开始积累不溶性tau蛋白。ApoE3神经元在活性损失约60%时越过该线。而ApoE2神经元直到活性被抑制约85%时才出现这种情况。
换句话说，ApoE4本身并未导致缠结，但它使神经元的储备大大减少。
"tau纤维形成与APOE变体和衰老（阿尔茨海默病最大的风险因素）之间的联系表明，我们可能发现了一个解释疾病重要方面如何开始的机制，"Ramachandran说。"我们现在希望，我们的发现将导致开发出能够预防tau缠结形成的疗法。"
衰老削弱了同一系统
作为阿尔茨海默病最大总体风险因素的衰老，似乎也削弱了这一保护机制。
在野生型小鼠中，膜定位的神经蛋白酶体随着年龄增长而逐渐下降，大约从12个月开始。人类脑组织显示了相关模式。拥有两个APOE4拷贝的人比APOE3携带者具有显著更低的神经蛋白酶体水平，而且在tau病理较重的脑区，这种减少尤为明显。
人类组织分析比较了Brodmann 7区（一个具有大量tau缠结和神经退行性变的区域）与Brodmann 4区（tau病理少得多的区域）。无论哪个区域，APOE4携带者的神经蛋白酶体水平都较低，但在受影响更严重的区域，下降幅度更大。
这并不能证明神经蛋白酶体是阿尔茨海默病的唯一原因，而且该研究并未重现人类中缓慢、广泛发展的疾病进程。实验依赖于对该系统的急性破坏，而不是多年来逐渐积累的慢性过程。作者还指出，ApoE4降低神经蛋白酶体水平本身并不足以引发疾病，可能需要第二个打击，如衰老或其他应激源，才能将神经元推向tau开始聚集的阈值。
尽管如此，这项工作提供了一个具体的机制，将tau蛋白、APOE基因型和年龄相关脆弱性联系在一起。
治疗的新早期靶点
这可能有助于重新引导治疗策略。
清除淀粉样蛋白的药物已显示出适度的益处，但许多研究人员认为tau蛋白可能与认知能力下降的过程联系更为紧密。如果神经蛋白酶体有助于确定tau蛋白是保持可溶状态还是开始形成纤维，那么保护该系统或抵消ApoE4对其的影响可能会成为新的治疗目标。
该研究还提出了更广泛的问题。研究人员表示，未来的工作需要确定ApoE如何精确影响神经蛋白酶体的定位。另一个问题是，为什么当这一表面系统受损时，神经元似乎没有启动标准的保护反应。此外，他们必须弄清楚这一途径如何与tau蛋白扩散、神经退行性变和疾病进展等后期事件相关。
目前，该研究提供了阿尔茨海默病研究长期缺乏的东西：对正常tau蛋白如何首先走上危险道路的一个合理一瞥。
研究的实用意义
这些发现表明，未来的阿尔茨海默病疗法可能需要比当前治疗更早介入，在tau缠结完全形成之前。
通过将神经蛋白酶体确定为可能的控制点，该研究为开发保护这一处理系统、增强神经元对抗应激能力或减弱APOE4有害影响的药物开辟了道路。
它还为研究人员提供了一种研究tau蛋白聚集如何开始的新方法，这可能改善针对预防疗法的筛选，从而在主要记忆症状出现前减缓疾病发展。
研究结果在线发表在《自然神经科学》期刊上。
原报道"Columbia University researchers discover new clues to Alzheimer's origins"发表于《The Brighter Side of News》。
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