Tau蛋白的分類(lèi)、結構及生物學(xué)功能

Tau蛋白是20世紀70年代中期通過(guò)研究微管形成所需的因素而發(fā)現的一種低分子量微管相關(guān)蛋白（microtubule associated protein，MAP），主要分布在中樞神經(jīng)系統，多數存在于神經(jīng)元的軸突中，少數存在于少突膠質(zhì)細胞中。Tau蛋白誘導與促進(jìn)微管蛋白聚合成微管，并與新聚合的微管束縛在一起，防止解聚，維持其結構的穩定性，保持微管間的距離，影響神經(jīng)元軸突的蛋白激酶的附著(zhù)點(diǎn)，且在神經(jīng)元可塑性中起著(zhù)重要的作用。Tau蛋白還可通過(guò)維持微管系統的穩定，為軸突生長(cháng)延伸創(chuàng )造條件，進(jìn)而提高神經(jīng)突觸的生長(cháng)速率和范圍。此外，Tau蛋白在促進(jìn)少突膠質(zhì)細胞成熟中具有重要作用。當Tau蛋白發(fā)生高度磷酸化、異常糖基化、異常糖化以及泛素蛋白化時(shí)，Tau蛋白失去對微管的穩定作用，神經(jīng)纖維退化、功能喪失。

1. 基因表達與分類(lèi)

Tau由17號染色體上的MAPT基因編碼，基因長(cháng)度>100kb，包含16個(gè)外顯子。外顯子1是啟動(dòng)子的一部分，被轉錄但不被翻譯。外顯子1、4、5、7、9、11、12和13是組成型外顯子。外顯子2、3和10交替剪接，外顯子2可以單獨出現，但外顯子3不可獨立于外顯子2出現。在中樞神經(jīng)系統中，外顯子2、3和10選擇性剪接產(chǎn)生6種Tau異構體：0N3R、1N3R、2N3R、0N4R、1N4R和2N4R Tau。根據易溶性及磷酸化程度Tau可分為：易溶型非異常磷酸化的Tau（C-Tau）、易溶型異常磷酸化的Tau（ADp-Tau）、不溶性以雙螺旋絲聚集的Tau（PHF-Tau）。C-Tau生物學(xué)活性類(lèi)似于正常Tau蛋白；ADP-Tau沒(méi)有生物學(xué)活性，但未聚合成PHF；PHF-Tau是從神經(jīng)元纖維纏結中提取的異常過(guò)磷酸化的Tau蛋白。

2. Tau蛋白結構

Tau蛋白二級結構（如α-螺旋或β-片層結構）含量低，是一種典型的“天然展開(kāi)”蛋白質(zhì)，具有耐熱性，且不易受酸處理影響。Tau蛋白由N端結構域、富含脯氨酸的結構域、微管結合結構域和C端結構域組成。在中樞神經(jīng)系統中，外顯子2、3和10的選擇性剪接主要影響N端投射區和微管結合結構域（MBD）。Tau根據微管結合重復序列（microtubule-binding repeat，MTBR）的數量可分為4重復（4R Tau：0N4R、1N4R、2N4R）和3重復（3R Tau：0N3R、1N3R、2N3R）兩種。N1和N2由外顯子2和3編碼，N1或N2可以被跳過(guò)，但是N2需與N1同時(shí)表達。剪接包含外顯子10會(huì )表達4R Tau，而不包含外顯子10會(huì )表達3R Tau。

Tau亞型的大小從352到441個(gè)氨基酸殘基不等，每一種都具有特定的生理作用，在大腦發(fā)育過(guò)程中差異表達。3R Tau和4R Tau在成人大腦中保持平衡比例（1:1），其中3R Tau主要在發(fā)育過(guò)程中產(chǎn)生，4R Tau在成年期產(chǎn)生。4R Tau在促進(jìn)微管組裝方面表現出比3R Tau更強的活性。3R和4R比例的破壞與AD以及其他Tau蛋白病有關(guān)，如：進(jìn)行性核上性麻痹、皮質(zhì)基底節變性、FTDP-17和嗜銀顆粒病中，4R與3R Tau的比例增加，但在皮克氏病中比例下降。AD中沒(méi)有明確的模式，因為含有Tau纏結的大腦脆弱區域在某些情況下顯示4R Tau亞型增加，而在其他情況下顯示3R Tau亞型增加。

圖1. 2N4R Tau的結構域

注：藍色為T(mén)au蛋白的N端結構域；棕褐色為富含脯氨酸的結構域；粉色為微管結合結構域；綠色為C端結構域。

圖2. 最長(cháng)Tau亞型的氨基酸序列（441個(gè)氨基酸）

注：現在人類(lèi)中樞神經(jīng)系統中發(fā)現的最長(cháng)的Tau亞型含有441個(gè)殘基。N1和N2是外顯子2、3編碼的多肽序列；P1和P2為富含脯氨酸的區域；R1–R4為由外顯子9–12編碼的微管結合域；²⁷⁵VQIINK²⁸⁰和³⁰⁶VQIVYK³¹¹是具有β結構的序列。

2.1 微管結合域

體外Tau蛋白可增加微管聚合速率，同時(shí)抑制其解聚速率，作為微管蛋白聚合的促進(jìn)劑，其主要功能取決于MTBR。Tau蛋白質(zhì)C端具有3~4個(gè)含31或32個(gè)氨基酸殘基的重復區（R1–R4），即主體結構呈Pro-Gly-Gly-Gly的“重復串聯(lián)”，構成了Tau蛋白的微管結合區。MTBR在胎兒Tau蛋白中重復3次，在成人特定形式中重復4次。每個(gè)重復由高度保守的18個(gè)殘基組成，并通過(guò)13或14個(gè)殘基間隔區彼此分開(kāi)。誘導微管聚合的最有效部分是R1-R2區域間中的肽²⁷⁵KVQIINKK²⁸⁰，這是4R Tau所獨有的。

圖3. Tau蛋白的正常功能

對于最長(cháng)的亞型，Tau蛋白通過(guò)4個(gè)微管蛋白結合域（圖3藍色框）牢固地結合在微管的外表面，促進(jìn)微管的組裝，并參與軸突運輸。在細胞中，微管可以通過(guò)動(dòng)態(tài)不穩定性改變其長(cháng)度，是微管依賴(lài)性運動(dòng)蛋白介導的細胞器運輸軌道。例如正端定向運動(dòng)驅動(dòng)蛋白及其相關(guān)物，或負端定向運動(dòng)動(dòng)力蛋白可以通過(guò)微管分別將線(xiàn)粒體、溶酶體、過(guò)氧化物酶體、內吞囊泡或胞外囊泡運送到細胞外圍或返回到微管組織中心（MTOC）。Tau蛋白可以影響軸突運輸，Tau通過(guò)激酶和磷酸酶的協(xié)調作用維持磷酸化（圖3粉紅球）平衡，調節其與微管結合的親和力，改變微管依賴(lài)性的細胞內運輸。

2.2 富含脯氨酸的區域

Tau蛋白通過(guò)其富含脯氨酸的區域與多種蛋白的Src同源3（SH3）結構域結合，如Fyn（一種來(lái)自Src家族的酪氨酸激酶）。Tau可以通過(guò)與樹(shù)突棘中的Fyn相互作用調節N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）受體信號傳導。病理性Tau可能參與Fyn激酶在突觸后區室的定位，在突觸后區室磷酸化NMDAR亞基，導致向內Ca²⁺電導增加并導致興奮性毒性。在少突膠質(zhì)細胞中，Tau與Fyn的結合調節細胞質(zhì)過(guò)程的生長(cháng)。

2.3 N端結構域

N-末端稱(chēng)為外伸結構域，它從微管表面外伸出來(lái)，與其他細胞骨架成分和細胞膜接觸，在維持軸突的穩定中發(fā)揮重要的作用。Tau蛋白的N端結構域決定了軸突微管之間的間距。外周神經(jīng)元通常有一個(gè)直徑很大的長(cháng)軸突。這種類(lèi)型的神經(jīng)元包含一個(gè)額外的N端Tau序列，由外顯子4A編碼，因此會(huì )生成一種稱(chēng)為“大Tau”的特定Tau亞型。Tau蛋白投射域可從微管表面投射出來(lái)，與其他細胞骨架元件和神經(jīng)元質(zhì)膜相互作用。

3. Tau蛋白功能

Tau蛋白作為軸突微管組裝的啟動(dòng)子，在維持神經(jīng)元投射和影響突觸功能方面發(fā)揮作用。Tau蛋白與微管結合的缺失可能導致突觸功能障礙。正常的Tau蛋白主要與軸突中的微管相關(guān)，參與突觸后區的突觸活動(dòng)。在生理或病理條件下，Tau蛋白被募集到突觸后和樹(shù)突。突觸活動(dòng)驅使Tau蛋白到達突觸后致密區，在那里Tau蛋白與突觸后密度蛋白相互作用。樹(shù)突Tau蛋白大多被過(guò)度磷酸化，不與微管結合。在阿爾茲海默癥（AD）或其他Tau病變中，樹(shù)突Tau在樹(shù)突丟失、突觸后活動(dòng)異常和認知功能障礙中發(fā)揮重要作用。病理分子機制可能涉及NMDA或AMPA受體的調節，例如，樹(shù)突Tau通過(guò)與Fyn激酶絡(luò )合來(lái)觸發(fā)NMDA受體磷酸化來(lái)介導Aβ依賴(lài)性興奮毒性。

在突觸前，致病性Tau可能干擾正常的突觸囊泡釋放。過(guò)度磷酸化的Tau蛋白可以通過(guò)跨膜蛋白synaptogyrin-3介導，與突觸囊泡形成更穩定的相互作用。這種致病關(guān)聯(lián)的結果可能使F-肌動(dòng)蛋白聚集在突觸前，并在物理上阻礙突觸囊泡釋放，導致神經(jīng)傳遞減少。

Tau蛋白不是神經(jīng)元存活所必需的，它在發(fā)育過(guò)程中作用并不重要，但Tau蛋白可以促進(jìn)長(cháng)期細胞存活功能，對神經(jīng)元等非分裂細胞至關(guān)重要。Tau蛋白也可以引發(fā)一系列事件，導致神經(jīng)元在生命后期死亡。迄今為止，已經(jīng)鑒定出60多種Tau致病突變，約占所有額顳葉癡呆（FTD）病例的5%。突變按其在人類(lèi)2N4R Tau中的位置編號。這些突變直接影響Tau翻譯后修飾、蛋白質(zhì)折疊和聚集，導致毒性功能獲得，引起疾病。

參考文獻

[1] Kolarova M, García-Sierra F, Bartos A, etal. Structure and pathology of tau protein in Alzheimer disease[J]. Int J Alzheimers Dis, 2012, 2012: 731526.
[2] Naseri NN, Wang H, Guo J, etal. The complexity of tau in Alzheimer's disease[J]. Neurosci Lett, 2019, 705: 183-194.
[3] 劉超, 閔蘇.Tau蛋白的研究進(jìn)展[J]. 臨床麻醉學(xué)雜志, 2012, 28(5): 517-519.

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