Cell Death Dis︱王小川团队揭示去泛素化酶USP10参与毒性Aβ介导Tau聚集的调控机制

撰文︱魏祯

责编︱方以一，王思珍

编辑︱方以一

异常的蛋白质聚集是神经退行性疾病的一个标志[1]。阿尔兹海默症（Alzheimer’s Disease，AD）中细胞内高磷酸化聚集物神经元纤维缠结（Neurofibrillary tangles，NFTs）以及细胞外沉积的Aβ淀粉样蛋白是其两大病理学特征，提示AD中蛋白降解系统受损，对聚集物清除和降解机制也越来越关注。Tau蛋白是一种富集在神经元中的可溶性微管相关蛋白，其正常生理功能是与微管结合稳定微管，促进轴突生长。而相较于晚期形成的不溶性NFTs，早期的、较小的、具有传播毒性的可溶性Tau寡聚体被认为是AD进程中Tau主要毒性形式[2-4]。

泛素-蛋白酶体系统（ubiquitin-proteasome system，UPS）负责体内大部分可溶蛋白质的降解。蛋白酶体特异性识别被多泛素标记的蛋白，而蛋白质的泛素化修饰过程是可逆的可以被去泛素化酶（deubiquitinases，DUBs）逆转。泛素特异性蛋白酶10（Ubiquitin-specific protease 10，USP10）被报道是机体内一个高度保守的去泛素化酶，在多种组织中广泛表达，参与多种类型肿瘤、DNA损伤反应、炎症和信号通路的调控[5-7]。但其是否可以参与调控Tau泛素化以及参与AD发病尚不清楚。

2022年8月20日，华中科技大学同济医学院基础医学院病理生理学系王小川教授团队在Cell death and disease杂志上发表了题为“USP10 deubiquitinates Tau, mediating its aggregation”的研究论文。该研究发现USP10作为Tau去泛素化酶，调控Tau去泛素化并促进Tau磷酸化，参与毒性Aβ介导Tau聚集的调控机制，对AD的发病提供新线索，为AD的治疗提供新的潜在靶点。2019级博士研究生魏祯和武汉市精神卫生中心曾宽博士为该工作的共同第一作者。

首先，作者通过GEO数据库分析发现AD中USP10基因表达上调（图1a）。进一步对AD人脑组织进行验证发现USP10蛋白水平升高（图1b-c）。随后，作者选用了分别表现为Aβ沉积和Tau聚集的不同病理表型的AD转基因小鼠——APP/PS1和P301S进行检测。实验显示，与同月龄对照相比，仅APP/PS1小鼠中USP10表达升高，而P301S小鼠没有变化（图1d-h）。结合以上结果作者推测，USP10在AD中上调，并且可能与Aβ的毒性有关。

图1 USP10在AD中上调

（图源：Wei Z, et al., Cell Death ＆ Disease, 2022）

为了研究USP10在AD中升高的机制，作者通过在N2a细胞中分别给予不同浓度Aβ寡聚体孵育以及转染全长Tau质粒，发现仅在Aβ刺激下，USP10水平升高（图2a-f），提示Aβ可能是AD环境中USP10上调的触发因素。Aβ作为一种公认的AD毒性物质，会促进Tau聚集以及磷酸化[8]。因此该作者在原代神经元中用Aβ寡聚体处理，发现Aβ刺激引起Tau5和p-Tau水平增高，同时USP10与Tau结合增加，Tau泛素化水平降低（图2g-o）。由此作者推测USP10可能参与了由Aβ介导的Tau病理过程。

图2 Aβ引起USP10上调，诱导Tau去泛素化和过度磷酸化

（图源：Wei Z, et al., Cell Death ＆ Disease, 2022）

USP10作为一种去泛素化酶，为了明确Tau是USP10的底物。作者通过在不同细胞系中过表达或下敲USP10（图3a）。一系列实验证实USP10能够通过降低Tau泛素化水平，减缓Tau降解速率，导致Tau过度磷酸化以及Tau的累积（图3）。

图3 USP10通过减缓Tau降解速率，促进Tau稳定

（图源：Wei Z, et al., Cell Death ＆ Disease, 2022）

鉴于前期有文献报道USP10与Tau结合能力较弱，认为二者不结合[9]，而作者发现USP10通过调控Tau泛素化减缓Tau降解。为明确USP10与Tau的结合情况，作者通过IP-MS、免疫共沉淀以及荧光共定位分析，证明USP10与Tau存在直接相互作用（图4a-e）。接着通过分子对接预测，作者合成了两条小分子肽以及将赖氨酸（K）突变成谷氨酰胺（模拟非泛素化），并通过体外实验检测，发现小分子肽可以显著抑制USP10-Tau结合（图4f-g）。

图4 小分子肽阻断Tau与USP10结合作用

（图源：Wei Z, et al., Cell Death ＆ Disease, 2022）

随后作者评估了在细胞中小分子肽是否发挥其功能，在原代神经元中过表达USP10或用Aβ处理后孵育小分子肽，实验发现小分子肽可以逆转由USP10过表达和Aβ引起的Tau聚集和过度磷酸化（图5）。

图5 小分子肽逆转由USP10过表达或Aβ引起的Tau聚集

（图源：Wei Z, et al., Cell Death ＆ Disease, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望

阿尔兹海默症（AD）中，过度磷酸化的Tau丧失与微管结合功能，发生聚集最终导致神经元死亡。所以，对Tau聚集以及清除机制的阐述十分重要。该研究发现了在AD进程中，Aβ上调泛素特异性蛋白酶10（USP10），而USP10作为Tau去泛素化酶，一方面去泛素化Tau，使Tau逃逸泛素-蛋白酶体降解；另一方面亦引起Tau磷酸化，共同促进Tau的聚集。该作者在本篇研究中揭示了USP10与AD的新联系。研究结果进一步明确了Tau的早期低聚体形式是AD和相关Tau病变的毒性元凶并且补充了Aβ介导的Tau病理的机制，同时也为开发针对AD和Tau病理相关疾病中病理性Tau的小干扰肽开辟了新途径。不过小分子肽在在体水平是否可以起到治疗改善AD中Tau病理以及USP10引起Tau磷酸化的分子机制仍需进一步研究。‍

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41419-022-05170-4

本研究得到国家自然科学基金重大研究计划培育项目 (92049107) 、 国家基金委创新群体项目（81721005）的资助。

通讯作者：王小川

（照片提供自：神经系统重大疾病教育部重点实验室）

作者简介：

王小川，华中科技大学教授，博士生导师，是中国药理学会抗衰老及老年痴呆专业委员会副主任委员、神经精神药物药理国家自然科学基金创新研究群体成员。长期坚持致力于阿尔茨海默病的基础与转化研究。

往期文章精选

优质科研培训课程推荐【1】培训课程︱R语言临床预测生物医学统计专题培训

欢迎加入“岚翰生命科学”

参考文献（上下滑动阅读） 

[1] Boland, B., W.H. Yu, O. Corti, et al. Promoting the clearance of neurotoxic proteins in neurodegenerative disorders of ageing. Nat Rev Drug Discov, 2018, 17(9): 660-688

[2] Neuronal uptake and propagation of a rare phosphorylated high-molecular-weight tau derived from Alzheimer's disease brain. Nat Commun, 2015, 6: 8490.

[3] Yuste-Checa, P., V.A. Trinkaus, I. Riera-Tur, et al. The extracellular chaperone Clusterin enhances Tau aggregate seeding in a cellular model. Nat Commun, 2021, 12(1): 4863.

[4] Guo, J.L., S. Narasimhan, L. Changolkar, et al. Unique pathological tau conformers from Alzheimer's brains transmit tau pathology in nontransgenic mice. J Exp Med, 2016, 213(12): 2635-2654.

[5] Lim, R., T. Sugino, H. Nolte, et al. Deubiquitinase USP10 regulates Notch signaling in the endothelium. Science, 2019, 364(6436): 188-193.

[6] Zhu, H., F. Yan, T. Yuan, et al. USP10 Promotes Proliferation of Hepatocellular Carcinoma by Deubiquitinating and Stabilizing YAP/TAZ. Cancer Res, 2020, 80(11): 2204-2216.

[7] Yuan, J., K. Luo, L. Zhang, et al. USP10 regulates p53 localization and stability by deubiquitinating p53. Cell, 2010, 140(3): 384-396.

[8] Luo, H.B., Y.Y. Xia, X.J. Shu, et al. SUMOylation at K340 inhibits tau degradation through deregulating its phosphorylation and ubiquitination. Proc Natl Acad Sci U S A, 2014, 111(46): 16586-16591.

[9] Piatnitskaia, S., M. Takahashi, H. Kitaura, et al. USP10 is a critical factor for Tau-positive stress granule formation in neuronal cells. Sci Rep, 2019, 9(1): 10591.

本文完