Nature深度 | 样品源于三位患者，慢性创伤性脑病中tau蛋白的高精度解析

撰文 | 酶美

责编 | 兮

在阿兹海默病和多种神经退行性疾病中，突变的tau蛋白形成高度致密有序的纤丝结构，tau蛋白纤丝聚集成包含体，细胞难以清除，中枢神经系统细胞功能受损，因此这些疾病又被称为tau蛋白疾病。来源于不同退行性疾病的tau蛋白纤丝具备迥异的拓扑形态，人们猜测tau蛋白可形成不同构象异构体（conformers）。 tau蛋白在神经系统高表达，一共有六种isoforms，只由一个基因编码：microtubule-associatedtau gene （MAPT）。在C端微管结合域由3到4个重复序列（R1-R4 repeats）结构组成（图1），外显子10编码第二个repeat，它的缺失或加入使tau蛋白具有3R和4R两种形式【1,2】。

美国西南医学中心Marc Diamond的研究表明，tau蛋白具有类似prion的自我复制扩散的性质，不同构象tau蛋白可在体外培养细胞系稳定传递到下一代，保持其原有的构象并在子代细胞中形成致病聚集体。他们还将不同形式tau蛋白注入小鼠大脑，发现它们在组织中有不同的扩散速度，同时保持原有构象不变和同样的毒性【3,4】。在tau蛋白疾病中，是否有不同分子异构体，这些分子异构体是否是造成不同退行性疾病的基础，尚未可知。

3月21日，Nature在线了英国MRC Lab的Sjors H.W. Scheres和Michel Goedert两个研究组的联合研究成果：Novel tau filament fold in chronic traumaticencephalopathy encloses hydrophobic molecules。本文发表了三例慢性创伤性脑病患者（Chronic traumaticencephalopathy，CTE）中，tau蛋白纤丝的冷冻电镜结构和解析，最高精度达到2.3Å。CTE tau蛋白纤丝构象是两位教授合作解析的第三个tau分子结构。他们分别在2017年和2018年报道了在阿兹海默病【1】和Pick氏病人【5】中tau蛋白中心纤丝构象。此次解析还发现CTE tau蛋白折叠围绕形成了一个宽敞的疏水域，其中包含一个未知的非共价结合辅助因子。推测可能是脂类分子，并预计该辅助因子可有助于tau蛋白聚集和沉淀。

剑桥MRC分子生物学实验室Sjors H. Scheres教授是蛋白质单颗粒冷冻电镜结构解析算法开创者。他开发了基于最大似然估计的结构解析算法，以及软件RELION，使用少量颗粒就能得到蛋白质大分子的精确结构。Scheres还曾和施一公教授合作，解析了人源g-secretase的分子结构。Goedert教授是MRC神经生物学家，集中于神经退行性疾病的研究。两位强强联手，在2017年首次发表了来源于阿兹海默病病人组织的tau蛋白纤丝结构，当时仅有一位病人的捐献样本。2018年再次发表了Pick病的tau结构，样本来源于一位患有此病7年的患者。现在2019年第三次发表慢性损伤性脑病CTE中的tau结构来源于三位病人样本解析，结果表明tau蛋白纤丝结构在三位患者中是相同的。

在此项研究者，作者分离了三位捐献者脑颞叶皮层组织，tau聚集纤丝从thesarkosyl-insoluble fraction分离得到。结构分析显示90%纤丝是I型结构，只有10%纤丝是II型结构（图2）。第三位患者样品中很难找到足够的II型分子。慢性创伤性脑病的tau纤丝中心结构是第三个和第四个重复序列结构（R3-R4）形成的，8个beta链折叠环绕组成一个C型。3R和4R tau蛋白均可形成这两种CTE折叠。tau蛋白元纤丝由两个这样的C型CTE折叠结构反向平行结合组成的二聚体。I型和II型CTE tau纤丝中，两个CTE折叠结构的分子贴合角度有差别，接触面的氨基酸也就不一样。I型分子中，两个分子的324SLGNIH329这6个氨基酸反向平行排列，形成一个稳定的立体拉链结构。II型分子中，331KPGGGQVE338两两配对结合形成氢键。CTE tau分子中只有两个Glycine形成了氢键，而在阿兹海默型tau分子中，三个甘氨酸均可与另一边形成氢键。因此CTE II型分子不够稳定，在组织中量少。

图2 CTE中 tau蛋白纤丝两种分子构象

CTE tau纤丝的分子中心结构呈C行，和阿兹海默型tau中心结构类似（图3）。8个beta链折叠环绕形成beta片层和beta螺旋的混合结构。其中b1、b2和b8链反向平行；b3和b7链反向平行构成堆积结构。b4，b5和b6链折叠形成一个beta螺旋。虽然两种tau蛋白中心结构的氨基酸序列基本一样，CTE tau分子beta螺旋构象却有很大不同。在CTE和阿兹海默两种tau蛋白中心结构中发生结合接触的氨基酸是不同的，因而造成两种tau分子的beta螺旋内侧氨基酸侧链基团的排布发生很大位移（图3）。CTE tau分子b4，b5和b6链形成了一个约17Å的疏水内核，内核中有一个非tau蛋白的电子密度出现（红箭头所示）。作者推测可能是一个脂类相关的辅助分子。CTE tau分子是第一个发现的淀粉样结构含有非蛋白的分子结合在内，该疏水分子也有可能帮助tau纤丝的加速聚集和形成，揭示了可能的一种全新的分子异构体和蛋白聚集体的形成方式。

图3 CTE和阿兹海默病两种不同的tau蛋白折叠构象。

慢性创伤性脑病常见于曾参加激烈身体对抗运动的职业选手中，比如美式职业橄榄球、冰球和职业拳击运动员中，因此又叫拳击手醉态综合征【6,7】。本文的三例捐献脑组织样品来自于一个前美式橄榄球运动员和两个前拳击手。长期的脑部反复轻微损伤引起tau病理聚集，患者出现认知困难，行为改变【6,8】。Omalu医生首先在一位前美式职业橄榄球员尸检发现了脑部退行性病变，这是第一例报道CTE【8】。其后在相当长的一段时间和NFL抗争并确认在多例NFL前球员中发现了同样的病变。他的事迹被好莱坞拍成一部电影，由Will Smith主演：Concussion。目前，McKee教授领导的Brain Bank收集了超过400例已故运动员家属捐赠的大脑，有250例CTE确诊【6】。

图片引自：https://www.washingtonpost.com/news/early-lead/wp/2015/12/04/will-smiths-concussion-really-does-not-portray-the-nfl-in-a-flattering-light/?noredirect=on&utm_term=.5d47456aba90

目前没有CTE特异相关生物标识，CTE的确诊依赖于死后的检查。CTE tau蛋白中心结构域中疏水辅助因子的确认可能有助于相关生物标记物的开发。CTE和阿兹海默tau蛋白分子中心结构氨基酸序列基本相同，但构象却差异很大，也证明了体内tau蛋白可形成不同分子异构体。

目前发表了三个tau蛋白分子构象均来自长期患病的患者样本，代表致病tau蛋白的终末形态。而有研究表明，tau蛋白可经历一个液液相分离的过程，最后形成纤丝聚集【9】。今后若能找到tau蛋白纤丝聚集的中间状态并解析其结构特征，将使我们有可能在早期阻断致病聚集体的形成。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-019-1026-5

参考文献

1. Fitzpatrick,A. W. P. et al. Cryo-EM structures of tau filaments from Alzheimer’s disease. Nature 547:185–190 (2017).

2. GoedertM. tau filaments in different neurodegenerative disease. FEBS letters592:2383–2391 (2018).

3. KaufmanSK. et al. tau prion strains dictate patterns of cell pathology, progression rate,and regional vulnerability in vivo. Neuron. 92(4):796-812 (2016)

4. SandersDW. et al. Distinct tau prion strains propagate in cells and mice and definedifferent tauopathies. Neuron. 82(6):1271-88 (2014).

5. Falcon,B. et al. Structures of filaments from Pick’s disease reveal a novel tau proteinfold. Nature 561:137–140 (2018).

6. McKee,AC. et al. The neuropathology of sport. Acta Neuropathol. 127:29–51(2014).

7. Martland,H. S. Punch drunk. J. Am. Med. Assoc. 91:1103–1107 (1928).

8. Omalu,BI. et al. Chronic traumatic encephalopathy in a National Football Leagueplayer. Neurosurgery 57:128–134, discussion 128–134 (2005).

9. Ambadipudi S. Liquid–liquid phase separation of the microtubule-bindingrepeats of the Alzheimer-related protein Tau. Nature Communication.8:272 (2017)

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