原創(chuàng)2022-06-30 09:23·
小崔和他的小伙伴們導(dǎo)讀：
具有構(gòu)象變化的異常蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)積聚是神經(jīng)退行性疾病的定義性神經(jīng)病理學(xué)特征。積聚在患者大腦中的致病蛋白質(zhì)采用淀粉樣纖維結(jié)構(gòu)，并表現(xiàn)出各種超微結(jié)構(gòu)特征。最近的實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明，這些致病蛋白從宿主細(xì)胞到受體細(xì)胞的朊病毒樣傳播是神經(jīng)退行性疾病發(fā)病和進(jìn)展的基礎(chǔ)。為了解這些異常蛋白質(zhì)的超微結(jié)構(gòu)和生化分類，近日東京都醫(yī)學(xué)科學(xué)研究所腦與神經(jīng)科學(xué)系的Masato Hasegawa在《Acta Neuropathologica》期刊上發(fā)表了題為“Ultrastructural and biochemical classification of pathogenic tau, α-synuclein and TDP-43”的綜述。作者總結(jié)了從神經(jīng)退行性疾病患者大腦中提取的致病蛋白的超微結(jié)構(gòu)和生化特征，這些蛋白積累了異常形式的 tau、α-突觸核蛋白和 TDP-43，基于最近的實(shí)驗(yàn)見解討論了這些疾病特異性特性是如何在大腦中維持的。
tau、α-synuclein和TDP-43病變
神經(jīng)退行性疾病的病理標(biāo)志是錯誤折疊的蛋白質(zhì)在神經(jīng)元和/或神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞中的積累。1980 年代報(bào)道了阿爾茨海默病(AD) 患者大腦中淀粉樣蛋白-β(Aβ)和tau 的積累，以異常 tau 包涵體為特征的一組疾病被稱為tau病變。1997年和1998年，有報(bào)道稱α-突觸核蛋白（α-syn）是在帕金森病（PD）、路易體癡呆（DLB）和膠質(zhì)細(xì)胞質(zhì)患者大腦中觀察到的路易體（LBs）的主要成分和多系統(tǒng)萎縮(MSA)中觀察到的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞胞質(zhì)包涵體(GCIs)。以異常α-突觸包涵體為特征的一組疾病稱為突觸核蛋白病。2006年，43kDa的TAR DNA 結(jié)合蛋白(TDP-43) 被確定為肌萎縮側(cè)索硬化癥(ALS) 和額顳葉變性(FTLD)患者大腦中積累的泛素陽性包涵體的主要成分，含異常TDP-43積累的疾病統(tǒng)稱為TDP-43蛋白病。這些異常蛋白質(zhì)具有共同的特征，例如不溶于去污劑、對蛋白酶的抗性和淀粉樣纖維結(jié)構(gòu)的形成，并表現(xiàn)出類似朊病毒的特性，誘導(dǎo)正常蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化為異常形式。此外，在從患者大腦中提取的去污劑不溶性組分中檢測到各種翻譯后修飾 (PTM)，例如磷酸化和泛素化。而且，對死后大腦連續(xù)切片的組織病理學(xué)研究表明，這些異常蛋白質(zhì)的腦內(nèi)積累與臨床癥狀密切相關(guān)，并以刻板的方式擴(kuò)展。Braak和 Murayama小組都提出了對這些病理的腦內(nèi)擴(kuò)展進(jìn)行分期，這被廣泛用于評估疾病進(jìn)展。在AD中，tau病理首先出現(xiàn)在藍(lán)斑，然后通過大腦邊緣系統(tǒng)從海馬擴(kuò)展到大腦皮層。嗜銀顆粒性癡呆 (AGD)中，tau病理從環(huán)回沿顳葉前部和后部內(nèi)側(cè)發(fā)展，并進(jìn)一步延伸到中隔、島葉皮質(zhì)和前扣帶回。在PD中，α突觸核蛋白病理從迷走神經(jīng)背側(cè)運(yùn)動核沿腦干上行通路擴(kuò)散到大腦皮層。在DLB中，據(jù)報(bào)道α突觸核蛋白病理學(xué)的發(fā)展始于嗅球。據(jù)報(bào)道，在ALS中，TDP-43病理從運(yùn)動皮層或腦干擴(kuò)散到顳葉。此外，據(jù)報(bào)道，在將胎兒多巴胺神經(jīng)元移植到 PD 患者體內(nèi)后10-24年，在移植物中觀察到α突觸核蛋白病理學(xué)。這些報(bào)告表明異常α-突觸核蛋白從宿主細(xì)胞釋放并摻入移植細(xì)胞的可能性。這些報(bào)告表明異常α-突觸核蛋白從宿主細(xì)胞釋放并摻入移植細(xì)胞的可能性。這些病理學(xué)發(fā)現(xiàn)表明，在大腦中積累的異常蛋白質(zhì)像朊病毒一樣以自身為模板進(jìn)行自我擴(kuò)增，并沿著神經(jīng)元回路從一個細(xì)胞擴(kuò)散到另一個細(xì)胞。這一假設(shè)被稱為朊病毒樣傳播，致病性tau、突觸核蛋白和 TDP-43 的自我模板化擴(kuò)增和細(xì)胞間傳播已在體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械玫阶C實(shí)。這些實(shí)驗(yàn)性傳播有力地支持了朊病毒樣傳播與各種神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病和進(jìn)展有關(guān)的觀點(diǎn)。目前，神經(jīng)退行性疾病的治療僅限于對癥治療，但有望開發(fā)新的疾病緩解療法和靶向朊病毒樣傳播的藥物。
超微結(jié)構(gòu)和生化特征對朊病毒株多樣性的影響
Prusiner 提出了朊病毒假說，它提出了朊病毒樣傳播的想法，作為解釋朊病毒疾病發(fā)病機(jī)制的一種機(jī)制。朊病毒是描述不含核酸的蛋白質(zhì)感染性顆粒的術(shù)語。導(dǎo)致克雅氏病和牛海綿狀腦病等朊病毒疾病的朊病毒蛋白 (PrP) 在正常狀態(tài) (PrPC) 中富含α-螺旋，而當(dāng)轉(zhuǎn)化為異常形式 (PrPSc)，它形成富含β-折疊結(jié)構(gòu)的淀粉樣蛋白。然后，PrPSc充當(dāng)模板并自我放大。在從患有朊病毒疾病的患者大腦中提取的不溶于洗滌劑的組分中觀察到稱為朊病毒棒的淀粉樣蛋白結(jié)構(gòu)。這種構(gòu)象變化使PrPSc能夠獲得與PrPC不同的各種特性。對感染動物和患者死后組織的生化分析表明，PrPSc具有不同于病毒的獨(dú)特特征，例如對包括煮沸和紫外線照射在內(nèi)的常規(guī)病毒滅活方法具有抵抗力、不溶于洗滌劑以及對蛋白酶的抵抗力。蛋白酶處理的PrPSc的免疫印跡分析檢測到低分子量蛋白酶抗性條帶，這些條帶模式顯示出多樣性，具體取決于朊病毒疾病的類型和表達(dá)PrPC的宿主物種。對蛋白酶的敏感性差異也被報(bào)道。PrPSc生化特性的多樣性可能反映了 PrPSc的不同構(gòu)象。在不同構(gòu)象的PrP“菌株”中，超微結(jié)構(gòu)和生化特征表現(xiàn)的是菌株的特征，而PrPSc的結(jié)構(gòu)信息對于自我擴(kuò)增至關(guān)重要。因此，PrPSc的結(jié)構(gòu)可能對臨床癥狀和發(fā)病機(jī)制具有重要意義。在實(shí)驗(yàn)動物模型中，菌株已被證明具有不同的感染性和潛伏期。目前尚不清楚哪些因素參與了從同一蛋白質(zhì)形成不同菌株的過程。然而，可能涉及一些輔因子和PTM。最近，已經(jīng)證明菌株也存在于淀粉樣蛋白中，這些蛋白在患有朊病毒病以外的神經(jīng)退行性疾病患者的大腦中積累。在與神經(jīng)退行性疾病相關(guān)的致病蛋白中，tau、α-突觸核蛋白和TDP-43在細(xì)胞內(nèi)積累并顯示常見的PTM。此外，有證據(jù)表明它們的積累與神經(jīng)退行性變化之間存在密切聯(lián)系。因此，我們在這里專注于對這三種蛋白質(zhì)的神經(jīng)退行性疾病特異性菌株的超微結(jié)構(gòu)和生化特征進(jìn)行分類。
源自人tau病變的致病性tau的超微結(jié)構(gòu)和生化分類
Tau是一種微管相關(guān)蛋白，主要位于軸突中，是天然未折疊蛋白之一。在成人大腦中，tau以六種亞型存在，由352-441個氨基酸組成，由編碼tau的MAPT基因中的外顯子2、外顯子2和3 或外顯子10的可變剪接產(chǎn)生。在由外顯子2和3編碼的N末端重復(fù)結(jié)構(gòu)域中具有0、1 或2個插入片段的同工型分別稱為0N、1N和2N。此外，根據(jù)微管結(jié)合域中的重復(fù)次數(shù)，這些tau亞型分為三種重復(fù)tau (3R tau) 和四重復(fù)tau (4R tau)。3R tau與4R tau的表達(dá)比例約為 1:1。在生理?xiàng)l件下，tau的作用是穩(wěn)定微管并促進(jìn)它們的聚合。Tau病變分為三組：一類是3R tau和 4R tau積累，一類是只有3R tau積累，一類是只有4R tau積累。在AD和慢性創(chuàng)傷性腦病 (CTE) 中，人類tau的所有六種亞型都以神經(jīng)原纖維纏結(jié) (NFT) 和神經(jīng)纖維絲的形式積累（圖1a）。在AD的早期階段，用光學(xué)顯微鏡可以看到?jīng)]有明顯纖維結(jié)構(gòu)的tau陽性沉積物，這些被稱為前纏結(jié)。然而，電子顯微鏡研究揭示了前纏結(jié)中的纖維結(jié)構(gòu)，表明前纏結(jié)中的tau纖維并不像NFT那樣密集排列和散開。前纏結(jié)的出現(xiàn)可能代表了NFT形成的初步階段。Braak小組用AT8免疫陽性tau評估了纏結(jié)前階段，此外還用Gallyas銀染法評估了NFT階段。星形細(xì)胞纏結(jié)也是CTE中的一種神經(jīng)病理學(xué)特征。原發(fā)性年齡相關(guān)tau病變(PART)的特征是缺乏Aβ積累，并且與AD的NFTs難以區(qū)分。在皮克病 (PiD) 中，3R tau作為皮克體在神經(jīng)元中積累，通常位于大腦皮層第2層和齒狀回的中間神經(jīng)元中（圖 1b）。在4R tau病變中，4R tau以各種病理形式積聚在神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞中。進(jìn)行性核上性麻痹 (PSP) 以簇狀星形膠質(zhì)細(xì)胞為特征，而皮質(zhì)基底結(jié)節(jié)變性 (CBD) 以星形膠質(zhì)細(xì)胞斑為特征（圖 1c、d）。在AGD中，4R tau 在神經(jīng)元和嗜銀顆粒中以前纏結(jié)的形式積累（圖 1e）。球狀膠質(zhì)tau蛋白病 (GGT) 的病理特征是膠質(zhì)細(xì)胞中的球狀tau 陽性包涵體。盡管大多數(shù)tau蛋白病是散發(fā)性的，但據(jù)報(bào)道MAPT基因的外顯子和內(nèi)含子中的50多個突變與 tau 蛋白病的發(fā)生有關(guān)，這些病例被稱為與17號染色體相關(guān)的額顳葉癡呆和帕金森病(FTDP-17T)。據(jù)報(bào)道，MAPT基因的錯義突變會改變正常tau的結(jié)構(gòu)并促進(jìn)tau聚集體的形成。此外，MAPT基因內(nèi)含子區(qū)域的突變影響可變剪接并改變3R tau和4R tau的表達(dá)比率。這些內(nèi)含子突變導(dǎo)致tau蛋白病的發(fā)生，其臨床癥狀和病理學(xué)與tau亞型積累的tau蛋白病相似（圖 1f）。
tau蛋白病患者大腦中積累的異常tau蛋白在多個部位高度磷酸化。這些異常形式的tau缺乏與微管結(jié)合的能力并顯示出各種PTM，例如泛素化、乙?；?、脫酰胺化和氧化以及磷酸化。已顯示在AD案例中，這些PTM的配置文件會根據(jù)Braak分期階段而變化。首先，除了在健康大腦中觀察到的磷酸化外，富含脯氨酸和C末端結(jié)構(gòu)域的位點(diǎn)數(shù)量和磷酸化頻率隨著Braak分期階段的進(jìn)展而增加。此外，微管結(jié)合域中的泛素化和乙?；贐raak后期變得更加突出，這表明這些PTM可能在NFT 形成后充當(dāng)降解信號。除了tau蛋白病常見的PTM外，還報(bào)告了疾病特異性 PTM。S356的非磷酸化和N279的脫酰胺是從AD病例中提取的不溶性tau的顯著特征。PiD是唯一一種S262未被磷酸化的tau蛋白病。在CBD中檢測到多種疾病特異性泛素化（K343、K353、K369和K375），而PSP的特點(diǎn)是泛素化較少。據(jù)報(bào)道，與其他tau蛋白病不同，AGD病例中的tau蛋白沉積物缺乏K279的乙酰化。已知異常tau不僅在大腦中增加，而且在tau病變患者的腦脊液(CSF)和血液中也增加。據(jù)報(bào)道，異常tau流入CSF和血液可能是與衰老相關(guān)的血腦屏障破壞的結(jié)果，并且CSF和血漿中tau的特定磷酸化位點(diǎn)可用作生物標(biāo)志物來識別tau蛋白病的早期階段。已知神經(jīng)絲蛋白和硫酸乙酰肝素蛋白聚糖在tau病理學(xué)中顯示出共免疫反應(yīng)性，并且神經(jīng)絲輕鏈被用作神經(jīng)變性的生物標(biāo)志物。據(jù)報(bào)道，硫酸乙酰肝素蛋白聚糖參與致病性tau的細(xì)胞間傳播。
圖1 從人類tau病中提取的致病性tau的超微結(jié)構(gòu)和生化特征
在tau蛋白病患者的大腦中，異常的tau蛋白以富含β折疊的淀粉樣細(xì)絲的形式積聚。1963年，在電子顯微鏡研究的基礎(chǔ)上，首次報(bào)道了AD患者大腦中的纖維結(jié)構(gòu)。此外，據(jù)發(fā)現(xiàn)，這種扭曲的纖維結(jié)構(gòu)是由兩條原絲組成的tau絲，稱為成對螺旋絲 (PHF)，并且在AD患者的大腦中觀察到PHF和直絲(SF)。從AD病例中提取的不溶于肌氨酰部分的電子顯微鏡顯示PHF的直徑為10-20nm，并以80nm 的周期性扭曲，而SF的直徑為15nm；在其他tau病變中，異常tau也會形成各種疾病特異性纖維結(jié)構(gòu)。從PiD病例中提取的Tau絲直徑為13-17nm，直的或扭曲的；來自PSP案例的直徑15nm的Tau絲是松散扭曲的絲帶，而來自CBD案例的Tau絲的直徑為10-30nm，并以140nm的周期性扭曲；在FTDP-17T（內(nèi)含子10突變+14和+16）中，直徑7-25nm 的tau細(xì)絲以240nm的周期性扭曲，這些結(jié)構(gòu)與從 PSP和CBD病例中提取的細(xì)絲不同；來自GGT的Tau絲呈帶狀，而來自AGD的 Tau絲以相對較長的周期性扭曲（圖1g）。近年來，低溫電子顯微鏡 (cryo-EM) 分析從tau蛋白病患者的大腦中提取的不溶于肌氨酰的部分，揭示了表現(xiàn)每種疾病特征的tau絲的核心結(jié)構(gòu)。在一名AD患者的大腦中發(fā)現(xiàn)了由3R tau中的V306-F378和4R tau中的G304-E380組成的C形核心結(jié)構(gòu)（表1）。盡管PHF和SF中的原絲具有共同的折疊，但原絲的界面不同。從多個AD病例中提取的不溶性組分中也發(fā)現(xiàn)了AD折疊，從一個產(chǎn)生Aβ的APP基因V717F突變的家族性AD病例中提取的tau絲結(jié)構(gòu)與散發(fā)性AD病例的結(jié)構(gòu)相同。在包括PART、后皮質(zhì)萎縮 (PCA)、家族性英國癡呆 (FBD) 和家族性丹麥癡呆 (FDD) 在內(nèi)的其他tau病變以及包括PrP 腦淀粉樣血管病和Gerstmann-Str?ussler-Scheinker病(GSS)在內(nèi)的朊病毒疾病中也發(fā)現(xiàn)了與散發(fā)性AD病例相同的Tau絲結(jié)構(gòu)。在CTE病例中，確定了由3R tau 中的K274-R379和4R tau中的S305-R379組成的纖維核心結(jié)構(gòu)，并且CTE折疊不同于AD折疊。CTE折疊中也存在非蛋白質(zhì)分子。從PiD病例中提取的tau絲的J形核心結(jié)構(gòu)涉及3R tau中的K254-F378，雖然大多數(shù)絲為單原絲類型，但也發(fā)現(xiàn)了由兩條原絲組成的扭曲絲。從CBD病例中提取的Tau絲由單原絲和雙絲類型組成，并且鑒定出CBD折疊由4R tau中的K274-E380組成 ，在折疊內(nèi)具有非蛋白質(zhì)分子。據(jù)報(bào)道，在CBD病例中觀察到的前纏結(jié)顯示出與AD病例不同的纖維形態(tài)，這可能是由于AD和CBD細(xì)絲的兩條原絲之間的穩(wěn)定性和相互作用存在差異。
PSP 折疊在結(jié)構(gòu)上不同于CBD折疊，由4R tau中的G272-N381組成，在典型和非典型 PSP病例中相同。在GGT的病例中，鑒定了由4R tau中的G272-R379組成的纖維狀核心結(jié)構(gòu)，類似于PSP折疊，雖然在PSP病例中僅發(fā)現(xiàn)了原絲型tau絲，但在三種類型的GGT的I型和II型病例中發(fā)現(xiàn)了由兩種原絲堆積在不同界面上組成的多重結(jié)構(gòu)。在AGD、FTDP-17T（內(nèi)含子10 突變+3 和+16）和衰老相關(guān)tau星形膠質(zhì)細(xì)胞病 (ARTAG) 病例中，纖維核心結(jié)構(gòu)類似于CBD折疊，已確定由4R tau中的 G273-D387或N279-N381組成。在上述tau病變的纖維核心結(jié)構(gòu)中和周圍檢測到疾病特異性PTMs。AD病例中K356處和PiD病例中S262處的非磷酸化可由以下事實(shí)來解釋，即這些殘基位于每個折疊中外部不可接近的位置，這表明在tau蛋白病中，這些殘基的磷酸化可能折疊形成后發(fā)生。這些疾病特異性tau纖維核心結(jié)構(gòu)以及這些結(jié)構(gòu)在同一疾病組中的一致性提供了在患者大腦中tau菌株形成的直接證據(jù)。盡管尚未確定CTE折疊和CBD折疊內(nèi)的非蛋白質(zhì)分子，但這些分子可能分別導(dǎo)致與AD折疊和AGD/FTDP-17T/ARTAG折疊的結(jié)構(gòu)差異。在肝素和硫酸葡聚糖等聚陰離子存在的情況下，從大腸桿菌中純化的重組tau還會形成類似于患者來源的tau絲的淀粉樣蛋白絲。通過低溫EM 對這些合成tau絲進(jìn)行的結(jié)構(gòu)分析揭示了一種來自合成2N3R tau絲的纖維芯結(jié)構(gòu)和四種來自合成2N4R tau絲的纖維芯結(jié)構(gòu)。然而，這些纖維核心結(jié)構(gòu)與任何源自患者大腦的結(jié)構(gòu)都不一致。這種差異可能歸因于聚陰離子的影響，聚陰離子對于合成tau絲的形成至關(guān)重要。另一方面，據(jù)報(bào)道，由tau I297-E391 組成的合成肽在沒有聚陰離子的情況下形成類似PHF 的細(xì)絲。也有人提出，一些細(xì)胞衍生因子和輔助因子會影響tau絲的形成，并且 CTE折疊和CBD折疊中的非蛋白質(zhì)分子可能源自神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞環(huán)境。
表1 患者來源的致病性 tau、α-syn 和 TDP-43 的結(jié)構(gòu)和生化特征總結(jié)
與tau絲的結(jié)構(gòu)多樣性一致，從患者大腦中提取的肌氨酰不溶部分通過免疫印跡方法，在生化特征上顯示的異常tau條帶模式表征了tau病變。在AD病例中，全長tau的六種同種型分別為60、64和68kDa條帶，在PiD病例中，全長3R tau的三種同種型分別為60和64kDa條帶（圖1h）。在4R tau病變中，包括PSP、CBD、FTDP-17T（+14 和+16）、GGT和AGD病例，檢測到三種全長4R tau同工型分別為64和68kDa條帶（圖 1h）。由識別tau的C末端的抗體檢測到的Tau C末端片段 (CTF)也是tau病變的特征。在AD病例中檢測到19、22、25、30、36和40 kDa的CTF，在PiD病例中檢測到21、34和39kDa（圖 1h）。在CTE病例中報(bào)告了類似于AD病例的CTF。在PSP和CBD情況下，分別檢測到22、33kDa和22、37 雙峰、43kDa的不同CTF（圖1h）。這些CTF條帶模式在同一疾病組中很常見。其他4R tau蛋白病的CTF型可分為PSP型和CBD型。從GGT病例中提取的不溶性tau的CTF為PSP型，而從FTDP-17T (+14, +16) 和AGD病例中提取的不溶性tau的CTF為CBD型（圖1h）。這些疾病特異性CTF條帶模式可能是由于長絲形成后全長tau加工的差異，也反映了tau絲結(jié)構(gòu)特征的相似性，如上述冷凍電鏡結(jié)構(gòu)分析所示。PSP和GGT折疊顯示出相似的三層結(jié)構(gòu)，而CBD和AGD/FTDP-17T折疊顯示出相似的四層結(jié)構(gòu)（表1）。來自患者大腦的經(jīng)胰蛋白酶處理的不溶性tau 也顯示出每種tau病變特有的胰蛋白酶抗性條帶。這些胰蛋白酶處理的不溶性tau的質(zhì)量分析揭示了疾病特異性胰蛋白酶抗性核心序列。這些序列與冷凍電鏡分析揭示的纖維核心結(jié)構(gòu)的序列相匹配。
患者來源的tau菌株的實(shí)驗(yàn)性朊病毒樣擴(kuò)增和傳播
從患者大腦中提取的不溶性tau在體外、培養(yǎng)細(xì)胞、原代培養(yǎng)和動物大腦中充當(dāng)種子，并誘導(dǎo)種子依賴性tau聚集。在蛋白質(zhì)錯誤折疊循環(huán)擴(kuò)增 (PMCA) 和實(shí)時震顫誘導(dǎo)轉(zhuǎn)化(RT-QuIC)等體外系統(tǒng)中，將從大腸桿菌中純化的重組tau和來自tau 病患者的樣本與配體硫代黃素混合并孵育通過搖動或超聲處理，特異性結(jié)合β-折疊結(jié)構(gòu)。據(jù)硫代黃素?zé)晒鈴?qiáng)度監(jiān)測種子依賴性tau聚集。據(jù)報(bào)道，使用腦勻漿的RT-QuIC可以根據(jù)與硫黃素T的反應(yīng)性將AD和CTE病例與PiD病例區(qū)分開來。同樣，來自PSP和CBD病例的腦勻漿和腦脊液可以通過RT-QuIC進(jìn)行診斷。此外，將患者來源的tau種子引入表達(dá)tau的培養(yǎng)細(xì)胞或原代培養(yǎng)物中會誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)tau聚集。從AD病例(AD-tau)中提取的不溶性tau會招募3R tau和4R tau進(jìn)行聚集，而從PiD病例(PiD-tau)或4Rtau病病例中提取的不溶性tau會分別導(dǎo)致僅3R tau或 4R tau的聚集。此外，據(jù)報(bào)道，將患者來源的tau種子引入熒光共振能量轉(zhuǎn)移生物傳感器細(xì)胞會誘導(dǎo)形成具有各種形態(tài)的tau聚集體,并且這些形態(tài)差異在細(xì)胞傳代過程中遺傳。將患者來源的tau種子接種到小鼠大腦中也會導(dǎo)致與接種樣品相關(guān)的tau病理形成。源自AD、PSP、CBD和AGD病例的腦勻漿在人tau轉(zhuǎn)基因(Tg)小鼠腦中誘導(dǎo)了與接種樣品相關(guān)的tau病理學(xué)，而源自PiD 病例的腦勻漿不會誘導(dǎo)類似皮克體的tau病理學(xué)。在用從tau 病變病例中提取的腦勻漿或不溶性部分接種野生型小鼠后，還觀察到與接種樣品相關(guān)的Tau病變，包括細(xì)胞類型特異性。此外，據(jù)報(bào)道，在表達(dá)人類tau的所有六種亞型的小鼠中會形成與疾病相關(guān)的tau病理。AD-tau誘導(dǎo)的tau病理涉及所有tau異構(gòu)體，而PiD-tau和從PSP病例(PSP-tau)和 CBD病例(CBD-tau)中提取的不溶性tau分別誘導(dǎo)僅由3R tau或4R tau組成的tau病理。這些結(jié)果表明，在tau病變患者的大腦中積累的tau細(xì)絲的構(gòu)象與每種疾病的tau病變的形成有關(guān)。
人源突觸核蛋白病的致病性α-突觸核蛋白的超微結(jié)構(gòu)和生化分類
α-突觸核蛋白是一種突觸蛋白，在大腦中含量豐富，定位于突觸前末端。它由三個結(jié)構(gòu)域中的140個氨基酸組成，N末端結(jié)構(gòu)域、稱為NAC（非淀粉樣蛋白核心）的疏水區(qū)域和C末端富含脯氨酸的疏水區(qū)域。在生理?xiàng)l件下，α-突觸核蛋白是一種水溶性的、天然未折疊的蛋白質(zhì)，其功能尚不清楚。然而，α-突觸核蛋白基因敲除小鼠的表型表明，α-突觸核蛋白可能參與多巴胺的釋放。突觸核蛋白病分為兩大類，路易體病 (LBD)，其特征在于神經(jīng)元中的α-突觸核蛋白包涵體，以及MSA，其特征在于主要在少突膠質(zhì)細(xì)胞中的α-突觸核蛋白包涵體。在包括 PD、帕金森病伴癡呆 (PDD) 和 DLB 在內(nèi)的LBD中，α-syn在神經(jīng)元細(xì)胞體和神經(jīng)突中以路易體（LB）和路易神經(jīng)突 (LN) 的形式積聚（圖 2a)。在LBD病例的神經(jīng)元細(xì)胞中觀察到彌漫性α-突觸核蛋白-免疫陽性沉積物和具有纖維結(jié)構(gòu)的蒼白小體，表明它們是在LB形成的初步階段形成的。除了Braak分期，McKeith分期也被廣泛用作LBD的神經(jīng)病理學(xué)分期系統(tǒng)。Braak分期評估路易病理學(xué)的擴(kuò)展，而McKeith型根據(jù)解剖區(qū)域LB病理學(xué)的嚴(yán)重程度將LBD分為五種神經(jīng)病理學(xué)亞型。MSA分為以帕金森病為主的MSA (MSA-P) 和以小腦共濟(jì)失調(diào)為主的MSA (MSA-C)，在這兩種情況下，α-突觸核蛋白作為GCI在少突膠質(zhì)細(xì)胞中積累（圖2b)。突觸核蛋白病患者大腦中積累的異常α-syn在S129處被磷酸化，并且部分泛素化。過90% 的α-突觸核蛋白在DLB患者的大腦中被磷酸化，而在健康大腦中只有4% 被磷酸化。在LBD患者中，不僅在大腦中檢測到磷酸化的α-突觸核蛋白病理學(xué)，而且在食道、心臟、皮膚、腎上腺、腸道和交感神經(jīng)節(jié)等外周組織中也檢測到。α-突觸核蛋白在各種外周組織中表達(dá)，以及α-突觸核蛋白病理從外周組織擴(kuò)散到中樞神經(jīng)系統(tǒng)也被提出。此外，據(jù)報(bào)道，突觸核蛋白病患者的腦脊液和血液中α-突觸核蛋白的濃度增加，這一發(fā)現(xiàn)有望為早期診斷提供一種實(shí)用的方法。然而，由于α-突觸核蛋白大量存在于血小板中，因此診斷需要通過仔細(xì)的血液樣本檢測。據(jù)報(bào)道，編碼 α-突觸核蛋白的SNCA基因中的九個錯義突變（A30P、A30G、E46K、H50Q、G51D、A53T、A53E、A53V和E83Q）會導(dǎo)致家族性突觸核蛋白病。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與野生型相比，這些突變在細(xì)胞毒性、與細(xì)胞膜和脂質(zhì)的關(guān)聯(lián)以及細(xì)絲形成方面表現(xiàn)出差異。SNCA基因的復(fù)制和三倍復(fù)制也會導(dǎo)致早發(fā)性LBD。有人提出PrPC和淋巴細(xì)胞激活基因3(LAG3)與α-突觸核蛋白絲結(jié)合并作為受體參與致病性α-突觸核蛋白的細(xì)胞間傳遞，但這仍然存在爭議，有幾份報(bào)告表明PrPC與α-突觸核蛋白不結(jié)合和人類神經(jīng)元中缺乏LAG3 表達(dá)。
圖2 從人類突觸核蛋白病中提取的致病性α-突觸蛋白的超微結(jié)構(gòu)和生化特征
在突觸核蛋白病患者的大腦中，異常的 α-突觸核蛋白以淀粉樣蛋白樣纖維結(jié)構(gòu)的形式積聚。LBD大腦中的纖維結(jié)構(gòu)在1960年首次被報(bào)道。從突觸核蛋白病患者的大腦中提取的肌氨酰不溶性部分的電子顯微鏡顯示直徑為5-10nm的α-突觸核蛋白細(xì)絲，并且來自LBD和MSA病例的α-突觸核蛋白細(xì)絲之間存在結(jié)構(gòu)差異（圖2c）。從LBD案例中提取的α-突觸核蛋白細(xì)絲是直的，而從 MSA 案例中提取的那些以80-100nm的周期性扭曲（圖2c）。已通過低溫EM分析確定包括MSA-C和MSA-P的MSA 病例的α-突觸核蛋白絲的核心結(jié)構(gòu)。已鑒定出兩種類型的α-突觸核蛋白細(xì)絲，即I型和II型。I 型絲由兩條原絲組成，PF-IA由G14-F94組成，PF-IB由K21-Q99組成，而II型絲由兩條原絲組成，PF-IIA由G14-F94組成，PF-IIB由G36-Q99組成（表1）。此外，在I型和II型中都可以看到兩條原絲之間的額外密度，而不是由于α-突觸核蛋白（表1）。盡管這些推定的非蛋白質(zhì)分子的細(xì)節(jié)仍不清楚，但表明它們參與了兩條原絲的組裝。二維分析表明，與從MSA病例中提取的那些不同，從DLB病例中提取的α-突觸核蛋白絲沒有扭曲。野生型和家族性突觸核蛋白病相關(guān)突變型合成α-syn絲的核心結(jié)構(gòu)也有報(bào)道。與合成tau絲的情況一樣，合成α-突觸核蛋白絲的結(jié)構(gòu)與MSA病例中鑒定的I型和II型絲的結(jié)構(gòu)都不一致。通過免疫印跡檢測到突觸核蛋白病患者大腦中積累的異常α-突觸核蛋白為17kDa條帶（圖 2d）。LBD和MSA中α-突觸核蛋白抗體檢測到的高分子量條帶不同：LBD中檢測到22、29和37kDa條帶，而MSA中檢測到22和32kDa條帶（圖 2d）。據(jù)報(bào)道，在DLB中觀察到的三個高分子量條帶中的每一個都是泛素化的α-突觸核蛋白，這表明異常α-突觸核蛋白的PTM模式在LBD和MSA中是不同的。從LBD和MSA病例中提取的不溶性α-突觸核蛋白對蛋白酶的敏感性和蛋白酶抗性條帶模式也不同。從 MSA 病例中提取的不溶性α-突觸核蛋白(MSA-syn) 比從LBD病例中提取的不溶性α-突觸核蛋白（LBD-syn) 對蛋白酶K和鏈霉蛋白酶的抵抗力更強(qiáng)。此外，MSA-syn具有高SDS溶解度，而LBD-syn顯示低SDS溶解度。
患者來源的 α-突觸核蛋白菌株的實(shí)驗(yàn)性朊病毒樣擴(kuò)增和傳播
與tau 一樣，從突觸核蛋白病患者大腦中提取的不溶性α-突觸核蛋白表現(xiàn)出類似朊病毒的特性，并在體外和體內(nèi)引起種子依賴性α-突觸核蛋白聚集。朊病毒樣播種活性的異質(zhì)性也有報(bào)道，這取決于α-突觸核蛋白菌株。與tau蛋白病的情況類似，來自突觸核蛋白病患者的腦、腦脊液和皮膚樣本中的異常α-突觸核蛋白已被證明可通過PMCA和RT-QuIC方法特異性檢測，并且是突觸核蛋白病早期階段有用的生物標(biāo)志物。使用源自突觸核蛋白病病例的腦樣本和CSF的PMCA分析揭示了源自PD病例(PD-syn)和MSA-syn的α-突觸核蛋白的播種活性存在差異。與PD-syn相比，MSA-syn 誘導(dǎo)硫黃素?zé)晒鈴?qiáng)度快速增加，而添加PD-syn時的平臺期熒光值遠(yuǎn)高于添加 MSA-syn 時的熒光值。平臺期熒光值的變化可能反映了PD-syn 和MSA-syn在α-突觸核蛋白絲與硫黃素的結(jié)合模式方面的結(jié)構(gòu)差異。通過PMCA方法檢測到的PD病例中擴(kuò)增的α-突觸核蛋白聚集體在蛋白酶K處理后顯示4個4-10kDa的條帶，而在源自MSA病例的α-突觸核蛋白聚集體的情況下僅檢測到2個 4和6kDa的條帶。這兩種類型的蛋白酶K抗性條帶模式表明根據(jù)模板形成不同PMCA產(chǎn)物。在培養(yǎng)細(xì)胞和原代培養(yǎng)物中也觀察到LBD-syn和MSA-syn之間接種活性的差異（即MSA-syn比LBD-syn誘導(dǎo)更大的細(xì)胞內(nèi)α-突觸核蛋白聚集）。此外，在α-突觸核蛋白A53T Tg小鼠和野生型小鼠的大腦中表現(xiàn)出MSA-syn的強(qiáng)效朊病毒樣特征。然而，在接種MSA-syn的小鼠大腦中，在神經(jīng)元中觀察到α-突觸核蛋白病理，但在少突膠質(zhì)細(xì)胞中沒有觀察到。這可以通過少突膠質(zhì)細(xì)胞中α-突觸核蛋白的表達(dá)水平來解釋。健康大腦和MSA大腦的原位雜交分析表明，α-突觸核蛋白在少突膠質(zhì)細(xì)胞中的表達(dá)非常低。在形成β-折疊結(jié)構(gòu)之前，正常或寡聚的α-syn可能從神經(jīng)元分泌并摻入少突膠質(zhì)細(xì)胞中。少突膠質(zhì)細(xì)胞中的α-突觸核蛋白病理學(xué)已證明在少突膠質(zhì)細(xì)胞中表達(dá)α-突觸核蛋白的Tg小鼠中形成。需要進(jìn)一步的研究來闡明神經(jīng)元衍生的α-突觸核蛋白在MSA中GCI形成中的作用。此外，少突膠質(zhì)細(xì)胞與神經(jīng)元不同的細(xì)胞環(huán)境可能會影響α-突觸核蛋白細(xì)絲的形成，從而導(dǎo)致α-突觸核蛋白菌株的產(chǎn)生?；谑褂弥亟Mα-突觸核蛋白的研究，已經(jīng)提出了不同細(xì)胞環(huán)境可能參與不同α-突觸核蛋白菌株形成的可能性。在各種生理?xiàng)l件下形成的合成α-突觸核蛋白絲表現(xiàn)出不同的形態(tài)和物理特性，并在體外、培養(yǎng)細(xì)胞和原代培養(yǎng)物中表現(xiàn)出不同的播種活性、細(xì)胞毒性和蛋白酶體活性。在生理鹽濃度存在下形成的合成α-突觸核蛋白絲表現(xiàn)出顯著的細(xì)胞毒性，而在沒有鹽的情況下形成的那些在大鼠腦中表現(xiàn)出高播種活性 這些合成的α-突觸核蛋白菌株的腦內(nèi)接種還會在α-突觸核蛋白A53T Tg小鼠和野生型小鼠的大腦中引起各種α-突觸核蛋白病理形態(tài)和傳播模式。
人源TDP-43蛋白病的致病性TDP-43的超微結(jié)構(gòu)和生化分類
TDP-43是一種主要位于細(xì)胞核中的RNA結(jié)合核蛋白。它由411個具有核轉(zhuǎn)位信號(NLS) 序列的氨基酸組成，由N端結(jié)構(gòu)域、兩個RNA識別基序結(jié)構(gòu)域和 C 端富含甘氨酸結(jié)構(gòu)域組成 。TDP-43的生理功能包括調(diào)節(jié)前體mRNA剪接等加工功能，還參與了mRNA 從細(xì)胞核到細(xì)胞質(zhì)的運(yùn)輸。據(jù)報(bào)道，TDP-43是在FTLD和 ALS患者的大腦中觀察到的泛素陽性包涵體的主要成分。異常的TDP-43包涵體大多積聚在細(xì)胞質(zhì)中，TDP-43的核定位及其生理功能均喪失。在FTLD-TDP中，磷酸化和泛素化TDP-43積累，根據(jù)病理學(xué)和分布的差異分為五種亞型（AE 型）。A型由神經(jīng)元胞質(zhì)包涵體 (NCIs) 和短營養(yǎng)不良神經(jīng)突 (DN)定義（圖3a）。B型，包括伴有運(yùn)動神經(jīng)元疾病的ALS和FTLD，主要表現(xiàn)為NCI病理學(xué)（圖 3b）。C型的特點(diǎn)是長DN（圖 3c）。D型主要表現(xiàn)為核內(nèi)包涵體病理學(xué)。E型的特點(diǎn)是粒絲狀神經(jīng)元包涵體和非常細(xì)的點(diǎn)狀神經(jīng)纖維包涵體。在FTLD-TDP患者的大腦中觀察到TDP-43免疫陽性的彌漫性或顆粒狀或短劃線樣細(xì)胞質(zhì)包涵體，這些前包涵體的形成可能代表TDP-43蛋白病發(fā)病機(jī)制的早期階段。邊緣優(yōu)勢以及年齡相關(guān)性TDP-43腦病(LATE) 的神經(jīng)病理學(xué)特征是磷酸化TDP-43在邊緣系統(tǒng)中的積累，并導(dǎo)致老年人出現(xiàn)AD樣癥狀。編碼TDP-43的TARDBP基因上的錯義突變與 ALS和FTLD-TDP的發(fā)病有關(guān)。已報(bào)道的突變超過30種，其中大部分位于C端低復(fù)雜度結(jié)構(gòu)域。其他RNA結(jié)合蛋白的突變，包括hnRNPA1、hnPA2B1和 MATR3，以及C9ORF72基因中的六核苷酸重復(fù)擴(kuò)增也會導(dǎo)致TDP-43蛋白病，這表明這些RNA結(jié)合蛋白與TDP-43的相互作用和RNA代謝穩(wěn)態(tài)的破壞參與TDP-43的細(xì)胞質(zhì)內(nèi)積累。最近，已經(jīng)研究了應(yīng)激顆粒的形成與TDP-43在細(xì)胞質(zhì)中的積累之間的關(guān)聯(lián)。在各種應(yīng)激條件下，如氧化應(yīng)激和熱休克，應(yīng)激顆粒是由RNA和RNA結(jié)合蛋白組成的無膜細(xì)胞器，通過液-液相分離形成，據(jù)報(bào)道它們吸收內(nèi)源TDP-43。然而，尚不清楚應(yīng)激顆粒的形成是否直接導(dǎo)致TDP-43發(fā)病，這需要進(jìn)一步研究。
圖3 從人TDP-43蛋白病中提取的致病性TDP-43的超微結(jié)構(gòu)和生化特征
對具有泛素陽性包涵體的ALS和FTLD病例的腦切片進(jìn)行免疫電子顯微鏡研究表明，神經(jīng)元中存在TDP-43和直徑為10-20nm的泛素陽性直絲束。從TDP-43蛋白病患者的大腦中提取的不溶性部分的電子顯微鏡也觀察到直徑10-15nm的淀粉樣細(xì)絲（圖3d）。來自AC型的TDP-43細(xì)絲的超微結(jié)構(gòu)特征對于每個亞型都是不同的，來自B型的TDP-43細(xì)絲比來自其他亞型的細(xì)絲更細(xì)（圖 3d）。據(jù)報(bào)道，TDP-43的合成肽G274-F313和G314-N353在體外形成細(xì)絲，這些細(xì)絲具有播種活性，可招募在培養(yǎng)細(xì)胞中表達(dá)的野生型TDP-43或缺乏NLS的TDP-43用于聚集，這表明殘基274–353對于TDP-43細(xì)絲的形成很重要。此外，對由SegA（殘基311-360）和 SegB（殘基286-331，包括ALS遺傳突變A315E）肽形成的TDP-43細(xì)絲的低溫EM分析，揭示了來自SegA細(xì)絲的三種不同的匕首形核心結(jié)構(gòu)和一個由SegB細(xì)絲的四個R形折疊組成的核心結(jié)構(gòu)。此外，已從TDP-43細(xì)絲中鑒定出由F276-M414 組成的纖維核心結(jié)構(gòu)，該細(xì)絲由在弱酸性條件(pH4)下形成的低復(fù)雜度域 (殘基267–414) 組成。對從兩個被診斷為患有FTLD的 ALS個體提取的TDP-43細(xì)絲進(jìn)行冷凍電鏡分析，發(fā)現(xiàn)由G282-Q360組成的雙螺旋形折疊，這與上述三種合成TDP-43細(xì)絲的纖維核心結(jié)構(gòu)不同(表1)。從具有其他FTLD-TDP亞型的患者的大腦中提取的TDP-43細(xì)絲的結(jié)構(gòu)也應(yīng)該適合低溫EM分析。從TDP-43蛋白病患者的大腦中提取的肌氨酰不溶性組分用磷酸化S409/S410抗體進(jìn)行免疫印跡顯示45kDa的磷酸化全長TDP-43條帶和亞型特異性CTF條帶（圖 3e)。在A型中，存在23、24和 26kDa的主要條帶和18和19kDa 的次要條帶，其中23kDa條帶最強(qiáng)（圖3e）。類似地，在B型中可以看到18、19、23、24和26kDa的CTF，在24 kDa處具有最強(qiáng)的條帶（圖3e)。在C型中，可見23和24kDa的主要條帶，其中23kDa條帶更強(qiáng)烈，可見18和19kDa的次要條帶（圖 3e）。這些 CTF的條帶模式在同一亞型組中很常見，并且可能反映了亞型之間全長TDP-43的N端截?cái)嗟牟町?。即使在從一個個體的不同腦區(qū)和脊髓提取的不溶性組分中也檢測到單一的CTF條帶模式。據(jù)報(bào)道，患者來源的不溶性 TDP-43的蛋白酶抗性條帶模式在同種亞型組是相同的，但在不同亞型之間是不同。此外，在從ALS病例中提取的不溶性組分中檢測到的主要PTM是磷酸化、氧化和脫酰胺，并且還檢測到部分泛素化。這些PTM主要位于C端域。雖然S403/S404和S409/S410的磷酸化是所有亞型的明確病理標(biāo)志物，但已報(bào)道了對S369磷酸化的免疫反應(yīng)性差異：B型和C型的TDP-43病理學(xué)是pS369陽性，而A型是pS369陰性。與tau和α-突觸核蛋白一樣，這些超微結(jié)構(gòu)和生化變化可能反映了大腦中積累的異常TDP-43構(gòu)象的差異，這表明在TDP-43蛋白病中形成了TDP-43菌株。在其他亞型和晚期積累的致病性TDP-43 的超微結(jié)構(gòu)和生化特征需要進(jìn)一步研究。
患者來源的TDP-43菌株的實(shí)驗(yàn)性朊病毒樣擴(kuò)增和傳播
患者來源的不溶性TDP-43在體外和體內(nèi)都表現(xiàn)出類似朊病毒的特性。一項(xiàng) RT-QuIC 研究發(fā)現(xiàn)，源自ALS和FTLD病例的腦勻漿和腦脊液中的異常TDP-43使用從大腸桿菌中純化的全長TDP-43和截短的TDP-43（殘基263-414）作為底物進(jìn)行擴(kuò)增。TDP-43異常可作為早期診斷的生物標(biāo)志物。將從 FTLD-TDP AC型患者的大腦中提取的不溶性TDP-43引入表達(dá)野生型TDP-43或缺乏NLS的TDP-43 的培養(yǎng)細(xì)胞中，導(dǎo)致磷酸化TDP-43的種子依賴性積累。此外，從已引入患者來源的TDP-43種子的細(xì)胞中提取的不溶性部分顯示出與患者來源的原始種子相似的CTF條帶模式。Sarkospin從FTLD-TDP型AC病例中提取的不溶性TDP-43在培養(yǎng)細(xì)胞中也顯示出不同亞型的細(xì)胞毒性和接種活性存在差異。此外，據(jù)報(bào)道，從 ALS病例中提取的不溶性TDP-43誘導(dǎo)形成具有各種形態(tài)的磷酸化TDP-43包涵體，正如在ALS患者的大腦中在表達(dá)野生型TDP-43的培養(yǎng)細(xì)胞中觀察到的那樣，并且在培養(yǎng)細(xì)胞中積累的不溶性TDP-43的朊病毒樣特性在細(xì)胞傳代后遺傳。在體內(nèi)，將從患有散發(fā)性FTLD-TDP和具有GRN或C9ORF72基因突變的家族性FTLD-TDP患者的大腦中提取的不溶性部分腦內(nèi)接種到在細(xì)胞質(zhì)中表達(dá)人源TDP-43的Tg小鼠中，以時間依賴的方式再現(xiàn)了與接種樣品相關(guān)的TDP-43病理學(xué)。將這些源自患者的樣本接種到野生型小鼠中也誘導(dǎo)了TDP-43病理學(xué)，盡管病理學(xué)不如接種到 Tg小鼠中的情況那么豐富。
如何在患者的大腦中維持每種疾病的特征結(jié)構(gòu)和生化特性？
正如我們所描述的，在患者大腦中積累的異常蛋白質(zhì)表現(xiàn)出每種疾病特有的超微結(jié)構(gòu)和生化特性。值得強(qiáng)調(diào)的是，這些特性在同一疾病組中很常見，甚至在一個人的不同大腦區(qū)域中也很常見。這些結(jié)果表明，致病性tau、α-突觸核蛋白和 TDP-43在整個大腦中擴(kuò)散，保留了它們的疾病特異性結(jié)構(gòu)和生化特性。
為了進(jìn)一步探索這種可能性，我們檢查了疾病特異性tau聚集和細(xì)絲形成是否在培養(yǎng)細(xì)胞中重現(xiàn)。從tau病變患者的大腦中提取的不溶性tau被引入表達(dá)全長3R tau或4R tau的SH-SY5Y細(xì)胞中。PiD-tau僅誘導(dǎo)3R tau聚集，而PSP-tau和 CBD-tau僅誘導(dǎo)4R tau聚集。AD-tau招募了3R tau和4R tau進(jìn)行聚合。在表達(dá)3R tau和4R tau的細(xì)胞中也觀察到這種菌株特異性tau聚集。此外，在SH-SY5Y 細(xì)胞中積累的不溶性tau的免疫電鏡顯示，大量的tau絲被細(xì)胞中表達(dá)的標(biāo)簽蛋白的抗體標(biāo)記，其結(jié)構(gòu)類似于來源于患者大腦的細(xì)絲。這種在培養(yǎng)細(xì)胞中觀察到的 tau絲的模板依賴性擴(kuò)增可以用從大腦中提取的tau絲的核心結(jié)構(gòu)來解釋（圖 4）。另一方面，PiD折疊、PSP折疊和CBD折疊包含3R tau或4R tau特異性序列，因此，當(dāng)模板和底物之間存在錯配時，不會促進(jìn)β-折疊結(jié)構(gòu)的聚合（圖 4）。換句話說，tau絲的結(jié)構(gòu)決定了哪種tau異構(gòu)體被招募用于種子依賴性聚集，并且是 tau病理在大腦中形成和傳播的決定因素。胰蛋白酶處理的患者來源的tau種子在tau纖維核心區(qū)域（絨毛外層）外消化，導(dǎo)致與未處理的tau種子相同的種子依賴性聚集，這支持纖維核心區(qū)域在tau細(xì)絲擴(kuò)增中起主要作用的觀點(diǎn)。因此，我們的結(jié)果表明，大腦中特征性蛋白質(zhì)的模板依賴性擴(kuò)增導(dǎo)致同一蛋白質(zhì)病的病理多樣性。
圖4 模板和底物之間氨基酸序列的完全匹配對于 tau 火焰的模板依賴性擴(kuò)增至關(guān)重要
通過體外和體內(nèi)觀察由物種障礙引起的低播種和繁殖效率也清楚地證明對模板依賴性擴(kuò)增的模板和底物之間氨基酸序列同一性的要求。人和小鼠α-突觸核蛋白的氨基酸序列有140個氨基酸中的7個殘基不同，據(jù)報(bào)道，當(dāng)?shù)孜锖湍０鍋碜圆煌锓N時，播種活性顯著降低。這可能是由于模板和底物之間的不匹配導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性。盡管產(chǎn)生不同菌株的機(jī)制仍不清楚，但不同的折疊（模板）是由正常蛋白質(zhì)形成的，這取決于遺傳和/或環(huán)境因素（圖 5a）。然后，在存在與模板（和輔因子）匹配的底物的情況下，相同折疊組成的細(xì)絲開始形成并擴(kuò)增（圖5a）。疾病相關(guān)的錯義突變直接影響纖維核心結(jié)構(gòu)并產(chǎn)生不同的菌株。與家族性突觸核蛋白病相關(guān)的突變合成α- 突觸核蛋白絲的結(jié)構(gòu)分析表明，這些突變不僅影響核心結(jié)構(gòu)，而且影響兩個原絲之間的界面。作為環(huán)境因素，最初發(fā)生聚集的大腦區(qū)域和細(xì)胞類型（神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞）可能對菌株形成有很大貢獻(xiàn)。實(shí)驗(yàn)表明，即使在不同細(xì)胞環(huán)境的擴(kuò)增過程中，患者來源的致病蛋白也能保持其特性。tau病變中3R 或4R tau特異性菌株的形成可能是由tau異構(gòu)體的異質(zhì)表達(dá)引起的，具體取決于大腦區(qū)域和細(xì)胞類型。在MSA病例中，少突膠質(zhì)細(xì)胞特異性微管蛋白聚合促進(jìn)蛋白p25α在α- 突觸核蛋白積累之前錯誤定位于細(xì)胞體，并且有人提出p25α可能有助于MSA特異性菌株的形成。每種細(xì)胞類型老化過程的差異也可能是一個因素。此外，細(xì)胞類型特異性或非特異性輔因子可能直接導(dǎo)致疾病特異性折疊的形成。CTE和CBD折疊內(nèi)的潛在輔助因子包括脂質(zhì)和聚陰離子，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)它們會影響細(xì)絲的形成。結(jié)構(gòu)和質(zhì)量分析相結(jié)合支持PTM參與菌株形成，這表明K340處的泛素化是單線型CBD細(xì)絲的特征，可防止雙線形成。正如實(shí)驗(yàn)所證明的，與朊病毒樣蛋白質(zhì)、鹽濃度、pH 值和金屬相互作用的其他蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和核酸也是導(dǎo)致各種形式的錯誤折疊的環(huán)境因素。一旦細(xì)絲在細(xì)胞中積聚，破碎的致病種子就會被釋放到細(xì)胞外空間并被相鄰的健康細(xì)胞吸收。雖然細(xì)胞間傳播的機(jī)制尚不完全清楚，但致病種子可能通過胞吐作用或由膜囊泡介導(dǎo)的轉(zhuǎn)運(yùn)釋放，包括突觸小泡和外泌體（圖 5b）。從死細(xì)胞中泄漏病原種子也是可行的。然后，細(xì)胞外致病種子可以直接被吸收到細(xì)胞中，或者通過大胞飲作用、受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用或外泌體的膜融合（圖 5b)。最近，還證明致病種子可以通過隧道納米管在神經(jīng)元細(xì)胞之間傳播（圖 5b）。這些致病蛋白沿著神經(jīng)元回路的連續(xù)細(xì)胞間傳遞導(dǎo)致腦內(nèi)病理擴(kuò)展。在腦中致病蛋白的擴(kuò)增和擴(kuò)散過程中，疾病特異性折疊得以維持，從而導(dǎo)致臨床和病理多樣性。盡管冷凍電鏡分析揭示了使用突觸核蛋白病患者的腦和腦脊液樣本進(jìn)行體外試驗(yàn)擴(kuò)增的α-突觸核蛋白細(xì)絲結(jié)構(gòu)，但這些結(jié)構(gòu)與從患者腦中提取的 α-突觸核蛋白細(xì)絲的結(jié)構(gòu)并不相同。因此，細(xì)胞環(huán)境和輔助因子可能在菌株形成中起關(guān)鍵作用。
圖5 神經(jīng)退行性疾病中的菌株形成和細(xì)胞間傳遞
小 結(jié)
患者大腦中積累的異常蛋白質(zhì)的異質(zhì)性是神經(jīng)退行性疾病發(fā)病和進(jìn)展的關(guān)鍵因素。死后大腦的結(jié)構(gòu)和生化分析揭示了致病蛋白的結(jié)構(gòu)多態(tài)性（菌株）和朊病毒樣特性。值得注意的是，最近對從患者大腦中提取的 tau 和α-突觸核蛋白絲致病蛋白的詳細(xì)結(jié)構(gòu)信息將有助于開發(fā)針對蛋白質(zhì)聚集和細(xì)胞間傳播的疾病調(diào)節(jié)劑。疾病特異性纖維核心結(jié)構(gòu)的差異也可能表明每種疾病需要不同的方法。同樣的情況將適用于用來早期診斷的 PET 配體，這可能會導(dǎo)致 PET 配體的發(fā)展，該配體可以區(qū)分同一蛋白質(zhì)病中的每種疾病。闡明菌株形成的機(jī)制以及相關(guān)因素對于更好地了解神經(jīng)退行性疾病中的致病蛋白菌株至關(guān)重要。定義每種疾病的成熟細(xì)絲應(yīng)該在成熟過程中通過幾種不同的形態(tài)形式。重要的是要闡明疾病特異性折疊是在初始原纖維物種形成時還是在成熟過程中的某個其他時間點(diǎn)建立的，以闡明菌株形成的機(jī)制和表征從前纏結(jié)/前夾雜物到纖維狀夾雜物的過渡。多種致病蛋白的相互作用促成發(fā)病機(jī)制的方式以及相互作用的菌株特異性特征需要進(jìn)一步研究。既然已經(jīng)提出了細(xì)胞環(huán)境在菌株形成中的重要性，了解具有聚集體的細(xì)胞的細(xì)胞動力學(xué)變化將有助于闡明聚集、細(xì)胞間傳遞和神經(jīng)退行性變的機(jī)制，以及菌株形成機(jī)制。
精讀文獻(xiàn)請閱讀原文：
Airi Tarutani, Tadashi Adachi, Hiroyasu Akatsu, Yoshio Hashizume, Kazuko Hasegawa, Yuko Saito, Andrew C Robinson, David M A Mann, Mari Yoshida, Shigeo Murayama, Masato Hasegawa. Ultrastructural and biochemical classification of pathogenic tau, α-synuclein and TDP-43. Acta Neuropathol.2022 Jun; 143(6):613-640. doi: 10.1007/s00401-022-02426-3.
編 譯 / 吳小戀
校 審 / 蔡玉潔
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青光眼視神經(jīng)萎縮什么時候能用靶向藥給治愈吧
·18小時前
