Science子刊:阿尔兹海默症治疗新靶点,靶向激活PAC1R,清除毒蛋白

2021
06/04

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生物世界
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病理性tau在突触中的积累与泛素化蛋白的积累相关。


撰文 | 王思珍
来源 | 逻辑神经科学

阿尔兹海默症 (AD) 是一种常见的神经退行性疾病。突触中病理性tau蛋白的积累已被确定为AD的早期事件,并与AD病人的认知能力下降密切相关。突触功能障碍和突触棘丢失也与AD认知能力下降相关。正常生理条件下,tau蛋白主要富集于神经元胞质和轴突的蛋白,在突触中并不大量存在,但在疾病条件下,由于神经元内的分选错误、神经元间跨突触转移或清除通路的异常,tau会积累于突触后隔间和突触前终端。tau病理小鼠模型研究表明,tau的过度磷酸化会导致tau在树突和树突棘上的错误定位。
 
有意思的是,有研究称,病理性tau在突触中的积累与泛素化蛋白的积累相关,这提示突触泛素蛋白酶体系统 (UPS) 的异常。突触中的UPS机制对于突触的正常功能至关重要,比如突触蛋白质周转、突触可塑性和长期记忆形成等。在神经突中,抑制蛋白质降解会导致磷酸化tau蛋白对树突的错误分选和树突棘的丢失,而增强蛋白质降解途径则会减少tau蛋白的错选,这提示蛋白质降解系统在tau向树突和树突棘的分布中发挥了重要作用。  

tau和其他多泛素化底物的降解是由26S蛋白酶体完成的,26S蛋白酶体是一种可以将蛋白质降解为小肽的蛋白酶;在AD病人中也被观察到蛋白酶体活性的降低和其构象的改变。这些数据提示蛋白酶体活性损伤在各种神经退行性疾病可能是一个共同的机制。  

在之前的研究中,美国哥伦比亚大学欧文医学中心的 Natura Myeku 实验室的相关研究表明,tau转基因小鼠 (rTg4510) 的大脑中纯26S蛋白酶体在降解泛素化蛋白方面存在缺陷,而磷酸二酯酶抑制剂可以通过环激活蛋白激酶 (cAMP) /cAMP依赖的蛋白激酶A (PKA) ,即cAMP/PKA信号通路,增强蛋白酶体的活性,以水解tau,从而缓解tau蛋白病理,改善认知功能。然而,通过蛋白酶体或自噬途径来激活或增强细胞内的蛋白质降解可能不是治疗AD的理想策略。因此,在AD的早期阶段,靶向神经元中特定位置的tau或许是一种更为安全的阻止tau积累、扩散、及认知能力下降的治疗策略。  
 
2021年5月26日,Natura Myeku 实验室在 Science Translational Medicine 期刊上发表了题为: PAC1 receptor–mediated clearance of tau in postsynaptic compartments attenuates tau pathology in mouse brain 的研究论文。

该研究发现PACAP1受体可降低阿尔兹海默症模型小鼠突触的tau蛋白量,并缓解tau蛋白病变,改善小鼠的认知能力。


本中,首先,作者发现,随着tau转基因小鼠 (rTg4510) 的疾病进展 (前期、中期及后期) ,病理性tau蛋白量在神经元胞体、突触、突触前和突触后都增加,特别是在胞体中增加最为显著;且相对于突触前,突触后积累了大量的不同种类的tau蛋白,如tau单体、高分子量tau (65 kDa) 、以及突变型tau (AT8) (图1 A-C) 。AD病人的死后脑组组皮层中也发现了类似结果;同时在病人突触后也观察到了类似小鼠中K48连接泛素链水平的增加,这提示了最常见的蛋白酶体降解靶向信号 (图1 D-K) 。 

(图1 A-C)病理性tau蛋白在AD病人突触后区室的积累

(图1D-K)病理性tau蛋白在AD病人突触后区室的积累

tau蛋白病变具有一个的基本特征,即具有种子功能的tau蛋白会优先通过突触转运,穿越相邻大脑区域。在此,作者将提取自不同疾病阶段小鼠的突触前和突触后的tau蛋白种子分别等量表达于人胚胎肾293 DS1细胞,并发现,相对于突触前tau种子,突触后tau种子在疾病早期和晚期都表现出很高的种子活性。对分离自AD患者脑组织的突触前和突触后tau蛋白进行相同实验,也观察到了类似的结果。这些结果表明:突触后区室的tau更具有种子活性、更有传播潜力。
 
垂体腺苷酸环化酶激活性多肽 (PACAP) 类型I受体,简称PAC1R,是一种主要位于神经元突触后膜上的G蛋白偶联受体 (Gs–G protein–coupled receptor) ,可激活cAMP/PKA信号通路介导的蛋白酶体活性和tau蛋白降解。在大脑中,配体 PACAP从轴突终末释放后,通过结合并激活突触后膜上的受体PAC1R从而发挥作用。在此,作者在tau突变 (P301S) 小鼠的原代神经元中侵染tau颗粒,并观察到,神经元树突展现出tau种子活性和不溶性tau积累,而PAC1R治疗可著降低树突中的tau种子活性和不可溶性tau,也可显著下降突触后的总tau蛋白量 (图2)

图2 PACAP治疗可以缓解体外原代神经元中的tau种子活性和不溶性tau积累(MC1 标记构象变化的tau蛋白,MAP2标记神经元树突)

先前的结果表明,增强PKA蛋白酶体活性可以促进tau蛋白的清除。丝氨酸214处磷酸化的tau (pS204 tau) 是一个激活性的cAMP/PKA信号转导的标记 (简言之,pS204 tau水平上高,则该信号通路被激活) 。在此,作者发现,pS214 tau蛋白在胞质和突触前表达富集,而PACAP处理组会明显上调小鼠神经元胞质组分中的pS214 tau蛋白含量,提示PKA依赖的tau蛋白磷酸化在PACAP处理后发生;PACAP处理后的小鼠大突触前的pS214 tau蛋白显著降低,提示PACAP处理未激活突触前的PKA。作者也发现,PACAP处理可显著下调小鼠细胞质、突触前和突触后的蛋白酶体特异性泛素化的蛋白水平,亦可显著下调突触后受体PAC1R的水平。这些结果综合暗示:PACA治疗可以改善小鼠神经元突触的tau蛋白病变。

图3 PACAP治疗可减轻rTg4510小鼠的tau蛋白病变

同时,结果也表明,PACA治疗能明显增强小鼠突触的26S蛋白酶体活性及其底物降解率,突触26S蛋白酶体的丝氨酸和苏氨酸位点的磷酸化水平也增加了,且这种磷酸化是PKA信号特异性的 (图3) ,这些结果暗示PACA治疗可以通过激活PKA信号途径而提高突触后蛋白酶体的活性,促进tau的水解,从而发挥神经保护作用。的确,进一步的结果表明:PACA治疗可以缓解小鼠的皮层、海马中tau蛋白病变,体现为总tau蛋白、多个位点磷酸化的tau、以及不可溶性tau的水平的降低。最后,Morris水迷宫测试和新物体识别测试表明,PACAP治疗可明显改善早期tau蛋白病变小鼠 (rTg4510) 海马的空间性 (学习) 记忆能力和陈述性 (情景) 记忆能力。这些行为学试验表明,接受PACAP治疗后,小鼠的tau蛋白病变和记忆能力都获得了改善。

图4 工作总结图:神经元突触后区室tau蛋白清除的机制

研究者通过使用亚细胞分离方法表明了rTg4510小鼠大脑和AD病人死后脑突触前和突触后隔区室中的tau蛋白的生化特性 (图4) 。 突触后隔间呈现含有病理tau蛋白,这可能会使神经元突触结构容易受到tau蛋白毒性的影响。研究者用PACAP靶向PAC1R,通过增加PKA信号和增强蛋白酶体活性来清除小鼠大脑突触后隔间中的tau蛋白 (图4) 。在PACAP处理的小鼠中,突触后室中蛋白酶体活性的增加与tau蛋白病理减少和认知能力的提高相关 (图4)

另外,此研究也提示,PKA磷酸化蛋白酶体是靶向26S蛋白酶体酶活性的更好方法, 然而PKA作为cAMP的效应分子,具有广泛的底物蛋白,这可能是长期治疗AD和其他蛋白质毒性疾病所需要关注的问题。 

当然,这项研究还存在一些有待解决的问题,比如,尽管,PACAP治疗改善小鼠的认知能力,PACAP具有神经源性、抗凋亡和神经保护的特性,然而,其代谢不稳定性限制了其临床应用,因此开发PACAP衍生物或化学修饰小分子是很有必要的,以增加酶的稳定性,同时保持对PAC1R的选择性和效力。

总之,研究提示,靶向激活PAC1R这种方法有可能是阻止毒性tau蛋白聚集,治疗阿尔兹海默症及其他tau蛋白病变的潜在策略。 

论文连接:
https://stm.sciencemag.org/content/13/595/eaba7394


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关键词:
阿尔兹海默症,蛋白酶体,神经元,疾病,种子

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