Tau蛋白种子结构核心与模糊外壳磷酸化共同调控阿尔茨海默病病理传播新机制

本研究针对阿尔茨海默病中Tau蛋白病理传播机制不明确的问题，系统探讨了Tau纤维丝核心结构与模糊外壳磷酸化修饰对其种子能力的影响。研究人员通过构建不同核心结构的重组Tau纤维丝，结合磷酸化修饰处理及冷冻电镜分析，发现同时模拟AD Tau纤维丝核心结构和关键磷酸化位点的PAD12重组纤维丝在野生型小鼠中成功诱导出类似AD的Tau病理。该研究揭示了Tau蛋白结构特征与翻译后修饰协同调控病理传播的新机制，为理解神经退行性疾病进展提供了重要见解。

在阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）的复杂病理过程中，Tau蛋白的异常聚集和在大脑中的传播被认为是疾病进展的核心驱动力。这种被称为"种子传播"的过程，类似于朊病毒的传播机制，即错误折叠的Tau蛋白能够诱导正常Tau蛋白发生构象改变并形成神经纤维缠结。然而，究竟是什么因素决定了不同Tau蛋白聚集体的传播效率，这一直是神经科学领域亟待解决的关键科学问题。

传统观点认为，Tau纤维丝的核心结构是决定其种子能力的主要因素。不同Tau蛋白病（tauopathies）中的Tau纤维丝确实展现出显著的结构差异，但仅靠核心结构似乎无法完全解释AD中Tau病理的高效传播特性。更为复杂的是，通过辅助因子诱导产生的重组Tau纤维丝往往形成与疾病相关结构截然不同的形态，且在野生型小鼠中无法有效诱导出AD样病理，这提示我们可能忽略了其他重要因素的作用。

为了解决这一科学难题，研究人员开展了一项系统性的研究，重点关注两个关键问题：Tau纤维丝核心结构的作用以及模糊外壳（fuzzy coat）中翻译后修饰（post-translational modifications, PTMs）的贡献。模糊外壳是指围绕在纤维丝核心结构外围的、富含翻译后修饰位点的蛋白区域，在AD患者脑中的Tau蛋白上发现了大量的磷酸化修饰，但这些修饰在种子传播中的具体功能尚不明确。

研究团队首先构建了能够复制AD配对螺旋纤维丝（paired helical filaments, PHFs）核心结构的重组Tau纤维丝（4a），并与具有不同核心结构的纤维丝进行比较。通过在表达人源Tau的MAPT基因敲入（knock-in, KI）小鼠模型中进行颅内注射实验，研究人员发现，具有AD PHF核心结构的4a纤维丝确实表现出比其他结构纤维丝更强的种子能力，但仍不及从AD患者脑中提取的天然Tau纤维丝。

随后，团队通过酶处理的方法对AD Tau进行改造，使用pronase部分降解模糊外壳区域，或用碱性磷酸酶（alkaline phosphatase）去除磷酸化修饰。令人惊讶的是，这些处理显著降低了AD Tau的种子能力，特别是在体内实验中，磷酸酶处理的AD Tau几乎完全丧失了诱导病理的能力。为了验证磷酸化的重要性，研究人员还尝试使用激酶（kinase）对去磷酸化的AD Tau进行再磷酸化处理，发现能够部分恢复其种子能力。

基于这些发现，研究团队构建了全长重组Tau蛋白（PAD12），该蛋白不仅模拟了AD PHF的核心结构，还在模糊外壳区域引入了12个模拟磷酸化的点突变（phosphomimetic mutations）。这种设计精巧的蛋白在体外组装成纤维丝后，表现出与AD Tau相似的形态特征。更重要的是，在原发性皮质神经元培养和小鼠体内实验中，PAD12纤维丝展现出了与AD Tau相当的种子能力，成功在野生型小鼠中诱导出Tau病理，这是首次有研究报道重组Tau纤维丝能够在短时间内（3个月）在野生型动物中诱导出可检测的病理变化。

关键技术方法包括：从AD患者脑组织中提取天然Tau纤维丝；构建不同核心结构的重组Tau蛋白并进行体外纤维化；通过酶处理（pronase和碱性磷酸酶）和激酶（SAPK4等）处理调控Tau的磷酸化状态；利用冷冻电镜（cryo-EM）解析纤维丝结构；在原代皮质神经元培养中进行种子能力评估；在MAPT KI小鼠和野生型小鼠中进行立体定向注射和病理分析。

Tau纤维丝核心结构影响种子能力

研究人员首先比较了具有不同核心结构的重组Tau纤维丝的种子能力。通过冷冻电镜分析，4a纤维丝成功复制了AD PHF的特征性核心结构，而12a纤维丝则形成了不同的结构模式。在MAPT KI小鼠模型中，颅内注射这些纤维丝后，4a纤维丝诱导的病理分布与AD Tau相似，但强度较低，表明核心结构确实是影响种子能力的重要因素，但非唯一因素。

Tau模糊外壳磷酸化调控种子效率

通过对AD Tau进行酶处理，研究发现去除模糊外壳的磷酸化修饰显著降低了其种子能力。磷酸酶处理的AD Tau在神经元培养和小鼠模型中均表现出种子能力的明显下降。进一步的挽救实验显示，使用SAPK4激酶对去磷酸化AD Tau进行再磷酸化处理，能够部分恢复其诱导病理的能力，证实了磷酸化修饰在种子传播中的关键作用。

PAD12重组纤维丝模拟AD Tau种子能力

研究团队构建的PAD12重组Tau蛋白，同时模拟了AD Tau的核心结构和关键磷酸化位点。这种全长重组蛋白形成的纤维丝在形态和生化特征上与AD Tau相似。在功能实验中，PAD12纤维丝在神经元培养中诱导的Tau病理与AD Tau相当，在野生型小鼠中也能有效诱导出细胞体样包涵体，虽然在神经突病理方面略弱于AD Tau。

种子传播的分子机制探讨

研究还对磷酸化修饰影响种子能力的潜在机制进行了探讨。研究人员提出，种子传播是一个多步骤的过程，包括内化、内体-溶酶体系统运输、溶酶体逃逸和胞质中模板指导的纤维形成。磷酸化可能通过改变蛋白的电荷分布，影响Tau纤维丝与细胞表面受体（如硫酸肝素蛋白聚糖）的相互作用，或者促进带正电的Tau单体向带负电的纤维丝募集，从而促进聚合过程。

本研究系统阐明了Tau蛋白种子传播的分子决定因素，揭示了纤维丝核心结构和模糊外壳磷酸化修饰在Tau病理传播中的协同作用。研究不仅证实了核心结构的重要性，还首次明确证明了磷酸化修饰在调控种子效率中的关键作用。特别值得一提的是，能够同时模拟AD Tau结构特征和翻译后修饰的PAD12重组纤维丝的开发，为研究Tau蛋白病的发病机制提供了有力的工具。这些发现不仅深化了我们对阿尔茨海默病病理进展机制的理解，也为开发针对Tau蛋白传播过程的治疗策略提供了新的思路。研究提示，针对Tau纤维丝特定结构域或磷酸化状态的干预措施，可能成为延缓疾病进展的有效策略。该研究发表于《Nature Communications》杂志，为神经退行性疾病研究领域作出了重要贡献。