Tau蛋白病（tauopathy）是一类以tau蛋白的病理性聚集为特征的神经退行性疾病，这类疾病呈现出多样化的临床综合征，在不同病人之间甚至同一个家庭的病人之间的表现都不尽相同。原发性tau病是以神经元和胶质细胞内tau沉积为特征，如皮克病（Pick’s disease，PiD）和皮质基底膜退化（corticobasal degeneration，CBD），而阿尔兹海默症（AD）是继发性tau病，是以tau聚集体和细胞外淀粉样斑块为特征。Tau异常如何导致这些不同的表型目前尚不清楚，但最近的结构研究鉴定出不同的tau折叠形式，在不同的tau病中形成淀粉样状态的斑块，即目前的假设是每一种tau病都可能具有疾病特异性、错误折叠的tau构象特征【1】。

分子水平上，错误折叠的tau通过单体的不同构象进行聚集，形成的原丝通过多种方式横向聚集成纤维。这种分层组装导致分子和超微结构的多态性，从而导致每种tau病的独特分子特征。目前存在两个关键问题：为什么错误折叠的tau分子总是组装成疾病特异性的聚集体？tau和非tau的哪种组分介导了这种病理性自我组装？翻译后修饰（posttranslational modification，PTM）或是解释tau病多样性的原因之一，多种tau蛋白的PTM已经被鉴定，而且不同的tau病中检测出不同的翻译后修饰谱【2】。目前的假设是氨基酸序列的翻译后修饰将调节tau单体的构象状态，并在tau纤维的结构中表现出来，进而导致tau病多样性。然而，由于是用链蛋白酶pronase处理tau和其他组织来源的蛋白丝以获得高分辨率的冷冻电子显微镜结构【3】，所以结构研究未能获得PTM信息，也不清楚不同tau病变相关的特异性结构的形成过程。

2020年2月6日，来自美国梅奥诊所的Leonard Petrucelli和哥伦比亚大学的 Anthony W.P. Fitzpatrick合作在Cell杂志上发表文章Posttranslational Modifications Mediate the Structural Diversity of Tauopathy Strains，从CBD患者的脑组织中分离并解析了tau纤维丝的结构，利用冷冻电镜和质谱技术揭示出翻译后修饰的广泛存在。通过对比CBD和AD中tau纤维丝的结构和位点特异性翻译后修饰，证明了tau的泛素化修饰介导了原丝间的作用界面。从结构生物学的角度证明了翻译后修饰能够影响tau纤维丝的结构，从而导致了tau病的致病性分子的结构多样性。

CBD的神经病理学特征是局灶性皮质萎缩，皮质神经元肿胀（“气球状神经元”），其中含有磷酸化的神经丝；受影响的皮质和皮质下区域含有很多tau免疫反应性神经元过程（“线程”）和多形状神经元内含物。构成CBD的tau损伤主要是含有四个微管结合重复序列的tau亚型（4R-tau），超微结构研究显示具有直丝和扭曲丝两种。研究人员首先从CBD患者的额叶皮质中提取不溶于十二烷基肌氨酸钠的物质，并使用冷冻电镜（cryo-EM）进行结构解析。Cryo-EM观测到直丝和扭曲丝两种形态，将其命名为单纤维丝和双纤维丝，双纤维丝的宽度是单纤维丝的两倍，单/双纤维丝的比例为1:2。Tau蛋白的核心结构由残基K274-E380组成，涵盖了R1（重复序列1）的尾端残基、R2-R4的所有残基和R4之后的12个氨基酸，形成了11个β折叠股（β1-β3来自R2，β4-β6来自R3，β7-β10来自R4，β11由N368-E380组成），β折叠股间通过β断裂-脯氨酸、β转折-甘氨酸、β弧度残基相互连接。串联重复序列R1-R4都含有一个通用的PGGG基序，在β3-β4间形成紧密的转折或连接β6-β7、β10-β11形成延伸的β螺旋构象。β10-β3-β4-β7和β6-β5-β2之间形成多片状、交叉性β作用界面。N、C末端通过将β1与β11结合对通用的原丝结构进行封闭。此外，疏水残基F、I、L、V的不同组合能够稳定大多数板间（inter-sheet）界面，残基K281-N296和D358-H374构成了一个巨大的菱形亲水性空腔，其中含有未知的有机物密度，而该密度不属于tau分子。而且单纤维丝和双纤维丝的CBD-tau核心部分都显示含有非tau组分。

对比CBD和AD致病性tau纤维丝，发现两者的片层内侧链堆积和二级结构非常相似，主要区别在R2和R1的C端残基在有序核结构中构象。CBD和AD的β折叠股和环形成片段在R1或R2的C端残基、R3、R4和R4之后的12个残基完全相同，即tau分子能够保留高度保守的二级结构序列的同时，错配成无数的致病性构象。通过对比疾病特异性的原丝结构，发现片层间相互作用或导致tau纤维丝成核和增长的多样性，如CBD的tau纤维丝通过K369-E380-R2、R4-R2、R2-R3、R3-R3进行塑形，而AD的tau纤维丝通过R3-R4、K369-E380-R3进行塑形。总的来说，不同的tau亚型（CBD中4R tau、AD和CTE中4R+3R tau、PiD中3R tau）通过在R1-R4、K369-E380之间的排列形成不同的片间接触而聚集，从而导致tau纤维丝构象的多样性。然而，每一种疾病都具有一种特征性tau聚集，在多个患者和不同的脑区都观察到，这意味着有其他因素能够调控tau 纤维在体内的自我组装，从而在每种tau病中忠实地呈现出疾病特异性tau聚集。

研究人员使用质谱技术（MS）对CBD和AD的tau纤维丝进行分析，发现tau纤维丝具有广泛的翻译后修饰（PTM），包括磷酸化、三甲基化、乙酰化和泛素化，磷酸化主要发生在涂层中，而R1-R4、K369-E380均具有乙酰化或泛素化修饰。CBD和AD的大多数乙酰化或泛素化位点都处于形成纤维的核心区域，表明这些修饰可能在病理性tau聚集中起作用。位点特异性乙酰化修饰通过中和带正电的赖氨酸残基产生的排斥作用将tau蛋白变得不易溶解，促进tau聚集，抑制病理性tau的降解。乙酰化能够中和赖氨酸的电荷，且带正电的侧链之间的电荷斥力较小，有利于β折叠股的平行、起始性堆积。CBD和AD中tau纤维丝的泛素化修饰不仅可能是降解的信号，而且可能在纤维化过程具有结构性作用。MS分析显示CBD tau原丝的K343、K369、K375是泛素化位点，且密度分析显示纤维丝核心周围有额外的蛋白质连接。综合MS和cryo-EM密度分析，AD和CBD中tau原丝可能是单单泛素化或多泛素化，泛素链的连接可以稳定β折叠股沿着纤维的长轴进行堆叠。泛素化有利于稳定CBD中tau双纤维丝间的作用界面，而且AD直丝中原丝之间的结合界面可以通过与泛素链的C端相互作用而稳定。

总的来说，研究解析了CBD患者的tau纤维丝结构，揭示了tau纤维丝中存在着多种翻译后修饰且翻译后修饰能够影响tau纤维丝结构的形成，为研究tau病的病理进程和治疗提供了新的视角。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.01.027