磷酸化tau蛋白在显性遗传阿尔兹海默症中的动态变化

华盛顿大学医学院利用质谱技术同时检测了常染色体显性AD患者中80多个位点的tau蛋白磷酸化在AD进展的40年间的动态变化，将AD的tau蛋白磷酸化与β样蛋白，脑萎缩和葡萄糖代谢下降联系起来。相关结果发表在2019年的Nature Medicine。

1、按照tau蛋白和p-tau蛋白可以将AD分为三个时期：淀粉样蛋白出现期(Amyloid plaques initiated)，神经异常出现期(Neuronal dyfunction begins)，神经退行加速期（Neurogeneration accelerates）。在神经退行加速期中不溶性的神经纤维缠结（NFT）出现，且tau蛋白217的磷酸化在AD症状出现的21年前（-21EYO）就发生了，远早于NFT的出现（图1）。

图1 t-tau蛋白和特定位点磷酸化水平的增加是相对有序的：tau蛋白在苏氨酸217上的磷酸化(pT217/T217)(发生在−21 EYO附近)，接着是苏氨酸181 (pT181/T181)(−19 EYO)，然后是t-tau增加(−17 EYO)，然后是tau在苏氨酸205磷酸化(pT205/T205)(−13 EYO)；pT217/T217和pT181/T181在症状出现时开始显著下降，而pT205/T205位点的磷酸化速度减慢，t-tau水平继续升高。

2）   Tau蛋白的磷酸化与β淀粉样斑块具有很强的相关性

图2 tau磷酸化与β淀粉样斑块的ROC（Receiver operating characteristics）曲线，pT217/T217 (purple; AUC = 0.97)，0.89 (pT181/T181; blue);

0.74(pT205/T205; green);   0.72 (t-tau; orange) and 0.69 (pS202/S202; gray)。

3）   脑脊液（cerebral spinal fluid，CSF） p-tau205与AD脑萎缩及葡萄糖代谢降低相关。

图3 tau磷酸化位点与脑萎缩（a图）和葡萄糖代谢下降的相关性（b图）

1、   指导tau蛋白的临床试验，tau蛋白在不同的AD时期作用不同。

2、   磷酸化tau蛋白217早在AD症状出现前的21年就出现了，是诊断AD很好的生物标志物。

3、   磷酸化tau蛋白205与脑萎缩和葡萄糖代谢下降相关，是AD另一阶段的标志物。

4、   可溶性tau蛋白与β淀粉样蛋白的量和出现的时间都是相关的，虽然还不清楚两者之间的因果关系。

5、   β淀粉样斑块与tau蛋白关系的假说：β蛋白斑块的占位影响了神经元细胞骨架，tau蛋白磷酸化的产生是细胞骨架绕过β蛋白斑块的占位的应急机制，但最终以失败告终，过多的磷酸化tau蛋白产生了神经原纤维缠节。

阿尔茨海默病是一种起病隐匿的进行性发展的神经系统退行性疾病。临床上以记忆障碍、失语、失认、视空间技能损害、执行功能障碍以及人格和行为改变等全面性痴呆表现为特征。遗传是AD的重要因素，甚至是决定性的因素，如淀粉样前蛋白（amyloid precursor protein ,app）,早老蛋白1（presenilin 1 ,PSEN1），早老蛋白2（presenilin 2 ,PSEN2）的突变会过早的出现AD，称为常染色体显性AD（autosomal dominant AD ,ADAD）（图4）。所以这些家庭的子女会有一半携带与父母同样的基因突变（Mutation carriers），另一半不携带突变（Mutation non-carriers）。这些家庭是研究AD很好的样本，因为携带基因突变的子女的AD症状的出现时间可以根据其父母的发病时间进行预估（estimated years to symptom onset ,EYO），这方便研究在AD症状出现几十年之前进行生物标志物的开发和AD发病机制的研究；而非携带突变的子女遗传背景与携带突变的子女高度相似，是很好的对照样本。但是常染色体显性AD并不多，不到所有AD的1%。为了更好的研究AD，成立了显性遗传阿尔茨海默氏症研究网络 (Dominantly Inherited Alzheimer Network, DIAN), DIAN是一个致力于显性遗传阿尔茨海默氏症的全球研究组织。大多数AD是散发性的（sporadic AD ,sAD），并没有家族聚集性，其携带的突变基因并没有那么大的效力，只是增加AD的风险，是否会患AD，什么时候发病，环境因素有很大的作用。

图4 常染色体显性AD的基因突变导致β淀粉样斑块的产生

65岁以前发病者，称早老性痴呆；65岁以后发病者称老年性痴呆。在影像上可以观察到大脑皮层和海马体的萎缩及脑室的扩大（图5），葡萄糖代谢减弱（图6）。

图5 AD脑部变化-大脑皮层及海马体的萎缩和脑室的扩大

图6 18F-FDG-PET观察到AD的脑部葡萄糖代谢减弱

β 淀粉样蛋白( amyloid-β，Aβ) 是由淀粉样前体蛋白( amyloid precursor protein，APP) 经β-和 γ-分泌酶的蛋白水解作用而产生的含有 39～43 个氨基酸的多肽（图7）。它可由多种细胞产生，循环于血液、脑脊液中。人体内 Aβ最常见的亚型是 Aβ1～ 40 和 Aβ1～ 42。

图7 β淀粉样蛋白及β淀粉样斑块的形成

Aβ在具有抗感染的功能，但是过多的Aβ会聚集成β淀粉样斑块（βamyloid plaque），产生神经毒性，诱发AD，所以脑部的感染也是AD的原因之一（图8）。

图8 β淀粉样蛋白的抗感染作用

β淀粉样斑块同样可以通过影像学观察到，通过PIB-PET可以检测到脑部的β淀粉样斑块，原理同tau-pet相同（图9）。

图9 PIB-PET AD中β淀粉样斑块

1）基因与结构

编码tau蛋白的MAPT（微管相关蛋白tau）基因位于17号染色体长臂的17q21位点，含有16个外显子，人类大脑中的tau蛋白主要由11个外显子编码，其中1、3、10的选择性剪接而形成了6种tau的同种型（图10）。

图10   tau蛋白的基因结构

2）病理生理机制

Tau蛋白是一种高度可溶的微管相关蛋白（MAP），在中枢神经系统的神经元中非常丰富，非神经元细胞（星形胶质细胞和少突胶质细胞等）中表达相对较低。Tau蛋白与微管蛋白（Tubulin）相互作用以稳定微管，同时驱动Tubulin在微管内组装。Tau蛋白通过异构和磷酸化控制微管的稳定性。在AD患者中可观察到Tau蛋白聚集成的不溶的神经纤维缠结（NFT）（图11）。

图11 Tau蛋白的生理作用-稳定细胞骨架，在AD患者中可以观察到NFT

脑部的NFT可以通过tau-PET成像技术检测，一般是静脉注射与NFT特异结合的放射性标记物，对脑部NFT进行成像（图12）。

图12 tau-PET影像

现在认为NFT的形成与tau蛋白翻译后修饰有关，尤其是磷酸化，tau蛋白一共有80多个磷酸化位点（图13），其中某些位点只在AD患者中出现。

图13 tau蛋白磷酸化位点

3）Tau蛋白病（tauopathy）

Tau蛋白变性不仅与AD相关，随着研究进展，帕金森氏病（PD）、额颞叶痴呆（FTD）等其他神经退行性病，以及克雅氏病（CJD）等被发现与tau有着密切联系，这一系列的疾病都称为tau蛋白病。

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