【研究】解密Tau蛋白磷酸化机制

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来自澳大利亚弗林德斯大学（Flinder University）医学和公共卫生学院的Arne Ittner团队发现Tau蛋白的磷酸化呈现“相互依赖性调节”的模式，即Tau蛋白上几个主要位点的磷酸化可以调控其他位点的磷酸化，进而调节Tau蛋白的整体磷酸化水平。该研究成果发表在《科学进展》（Science Advances）杂志上^[1]。

阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease, AD）两个最重要的病理学特征是细胞外β淀粉样蛋白（β-amyloid, Aβ）沉积和细胞内Tau蛋白过度磷酸化形成的神经纤维缠结（neurofibrillary tangles, NFTs）聚集。

Tau蛋白是一种微管结合蛋白，对微管细胞骨架具有重要的功能调控作用。Tau蛋白的异常磷酸化，特别是过度磷酸化会使这些Tau蛋白形成配对螺旋样纤维（Paired helical filaments, PHFs）和NFTs，这些聚集物会影响神经元的功能，最终导致生物体的认知能力下降。然而，关于Tau蛋白过度磷酸化的原因目前尚不清楚。

Tau蛋白在生物体中具有多个剪切体，在人体内主要有6种，根据其N端和微管结合区域（Microtubule binding domain, MTBD）的数量分为2N/4R、1N/4R、0N/4R、2N/3R、1N/3R和0N/3R，这些剪切体均存在众多的磷酸化位点^[2]。Tau蛋白的磷酸化位点大致可以分为两类，一类是拥有Ser-Pro（SP）或Thr-Pro（TP）基序的位点，这些位点主要通过被Pro靶向的激酶磷酸化；另一类位点则是非SP/TP类型位点，包括Pro富集区域的S214、MTBD的S262等位点^[3]。

图1 Tau蛋白剪切体示意图^[2]

为了探究Tau蛋白磷酸化的内在机理，作者假设Tau蛋白磷酸化在不同的位点之间存在“相互依赖性调节”的关系，即一些关键位点的磷酸化可以调控其他位点的磷酸化状态。

本研究中作者聚焦在SP/TP这类磷酸化位点上，通过在293T细胞外转Tau蛋白（2N/4R）的17个SP/TP初始磷酸化位点突变体，并分别激活12种磷酸激酶，检测了其他10个Tau蛋白磷酸化位点的磷酸化情况，最终得到了一个Tau蛋白磷酸化稳态水平的多维数据集。对该数据集分析发现，T50、T69、T181、T205等位点是Tau蛋白磷酸化相互依赖调节的主要位点。

图2 相互依赖的磷酸化调节模式：主要位点对于Tau蛋白多位点磷酸化是必须的

为了内源验证Tau蛋白磷酸化的相互依赖调节模式，作者首先对T205位点进行了在体研究。通过CRISPR/Cas9基因编辑的手段，作者构建了T205位点磷酸化失活（T205A）和模拟磷酸化（T205E）状态的两种突变小鼠，并证实了Tau蛋白T205位点的磷酸化状态可以调节其他多个位点的磷酸化情况，即T205A可以降低其他位点的磷酸化水平，T205E则可以增强其他位点的磷酸化水平。

图3 Tau蛋白通过主要位点相互依赖调节模式控制内源Tau蛋白的整体磷酸化状态

为了进一步验证在AD发病过程中是否也存在Tau蛋白磷酸化的相互依赖调节模式，作者利用AAV病毒在敲除Tau蛋白的AD模型小鼠中分别过表达人源Tau蛋白的T50、T69和T181三个位点的野生型及磷酸化失活突变体，结果发现过表达野生型Tau蛋白AD模型小鼠的Tau蛋白多个位点过度磷酸化，并且小鼠表现出学习记忆障碍，而分别过表达T50、T69和T181三个位点磷酸化失活突变体的小鼠中Tau蛋白其他位点的磷酸化状态显著降低，并且T181A的AD小鼠学习记忆能力优于野生型Tau的AD模型小鼠。这表明T50、T69和T181三个主要位点的磷酸化在AD中可以调节Tau蛋白的过度磷酸化。

图4 Tau蛋白主要位点可以控制人源Tau蛋白整体磷酸化和由Aβ-Tau引起的认知障碍

最后，作者分析筛选了介导Tau蛋白磷酸化相互依赖调节模式的激酶，发现p38α与多个磷酸化位点都有相互作用，并证实了激酶p38α对Tau蛋白磷酸化的相互依赖模式具有重要的调节作用。

图5 由p38α介导的Tau蛋白磷酸化相互依赖调节模式示意图

总的来说，这项研究揭示了tau蛋白磷酸化“相互依赖调节”模式，关键位点T50、T69和T181的磷酸化可以调控其他位点的磷酸化，进而调节Tau蛋白的整体磷酸化水平。该发现为阐释Tau蛋白磷酸化机制，为开发AD创新药物提供了思路。

参考文献：

1. Stefanoska, K., et al., Alzheimer's disease: Ablating single master site abolishes tau hyperphosphorylation. Sci Adv, 2022. 8(27): p. eabl8809.

2. Kaur, P., et al., Role of Tau in Various Tauopathies, Treatment Approaches, and Emerging Role of Nanotechnology in Neurodegenerative Disorders. Mol Neurobiol, 2023. 60(3): p. 1690-1720.

3. Mandelkow, E.M. and E. Mandelkow, Tau in Alzheimer's disease. Trends Cell Biol, 1998. 8(11): p. 425-7.

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