Tau蛋白的分類、結(jié)構(gòu)及生物學(xué)功能

Tau蛋白是20世紀(jì)70年代中期通過研究微管形成所需的因素而發(fā)現(xiàn)的一種低分子量微管相關(guān)蛋白（microtubule associated protein，MAP），主要分布在中樞神經(jīng)系統(tǒng)，多數(shù)存在于神經(jīng)元的軸突中，少數(shù)存在于少突膠質(zhì)細(xì)胞中。Tau蛋白誘導(dǎo)與促進(jìn)微管蛋白聚合成微管，并與新聚合的微管束縛在一起，防止解聚，維持其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，保持微管間的距離，影響神經(jīng)元軸突的蛋白激酶的附著點(diǎn)，且在神經(jīng)元可塑性中起著重要的作用。Tau蛋白還可通過維持微管系統(tǒng)的穩(wěn)定，為軸突生長延伸創(chuàng)造條件，進(jìn)而提高神經(jīng)突觸的生長速率和范圍。此外，Tau蛋白在促進(jìn)少突膠質(zhì)細(xì)胞成熟中具有重要作用。當(dāng)Tau蛋白發(fā)生高度磷酸化、異常糖基化、異常糖化以及泛素蛋白化時(shí)，Tau蛋白失去對微管的穩(wěn)定作用，神經(jīng)纖維退化、功能喪失。

1. 基因表達(dá)與分類

Tau由17號(hào)染色體上的MAPT基因編碼，基因長度>100kb，包含16個(gè)外顯子。外顯子1是啟動(dòng)子的一部分，被轉(zhuǎn)錄但不被翻譯。外顯子1、4、5、7、9、11、12和13是組成型外顯子。外顯子2、3和10交替剪接，外顯子2可以單獨(dú)出現(xiàn)，但外顯子3不可獨(dú)立于外顯子2出現(xiàn)。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，外顯子2、3和10選擇性剪接產(chǎn)生6種Tau異構(gòu)體：0N3R、1N3R、2N3R、0N4R、1N4R和2N4R Tau。根據(jù)易溶性及磷酸化程度Tau可分為：易溶型非異常磷酸化的Tau（C-Tau）、易溶型異常磷酸化的Tau（ADp-Tau）、不溶性以雙螺旋絲聚集的Tau（PHF-Tau）。C-Tau生物學(xué)活性類似于正常Tau蛋白；ADP-Tau沒有生物學(xué)活性，但未聚合成PHF；PHF-Tau是從神經(jīng)元纖維纏結(jié)中提取的異常過磷酸化的Tau蛋白。

2. Tau蛋白結(jié)構(gòu)

Tau蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)（如α-螺旋或β-片層結(jié)構(gòu)）含量低，是一種典型的“天然展開”蛋白質(zhì)，具有耐熱性，且不易受酸處理影響。Tau蛋白由N端結(jié)構(gòu)域、富含脯氨酸的結(jié)構(gòu)域、微管結(jié)合結(jié)構(gòu)域和C端結(jié)構(gòu)域組成。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，外顯子2、3和10的選擇性剪接主要影響N端投射區(qū)和微管結(jié)合結(jié)構(gòu)域（MBD）。Tau根據(jù)微管結(jié)合重復(fù)序列（microtubule-binding repeat，MTBR）的數(shù)量可分為4重復(fù)（4R Tau：0N4R、1N4R、2N4R）和3重復(fù)（3R Tau：0N3R、1N3R、2N3R）兩種。N1和N2由外顯子2和3編碼，N1或N2可以被跳過，但是N2需與N1同時(shí)表達(dá)。剪接包含外顯子10會(huì)表達(dá)4R Tau，而不包含外顯子10會(huì)表達(dá)3R Tau。

Tau亞型的大小從352到441個(gè)氨基酸殘基不等，每一種都具有特定的生理作用，在大腦發(fā)育過程中差異表達(dá)。3R Tau和4R Tau在成人大腦中保持平衡比例（1:1），其中3R Tau主要在發(fā)育過程中產(chǎn)生，4R Tau在成年期產(chǎn)生。4R Tau在促進(jìn)微管組裝方面表現(xiàn)出比3R Tau更強(qiáng)的活性。3R和4R比例的破壞與AD以及其他Tau蛋白病有關(guān)，如：進(jìn)行性核上性麻痹、皮質(zhì)基底節(jié)變性、FTDP-17和嗜銀顆粒病中，4R與3R Tau的比例增加，但在皮克氏病中比例下降。AD中沒有明確的模式，因?yàn)楹蠺au纏結(jié)的大腦脆弱區(qū)域在某些情況下顯示4R Tau亞型增加，而在其他情況下顯示3R Tau亞型增加。

2N4R Tau的結(jié)構(gòu)域

圖1. 2N4R Tau的結(jié)構(gòu)域

注：藍(lán)色為Tau蛋白的N端結(jié)構(gòu)域；棕褐色為富含脯氨酸的結(jié)構(gòu)域；粉色為微管結(jié)合結(jié)構(gòu)域；綠色為C端結(jié)構(gòu)域。

最長Tau亞型的氨基酸序列（441個(gè)氨基酸）

圖2. 最長Tau亞型的氨基酸序列（441個(gè)氨基酸）

注：現(xiàn)在人類中樞神經(jīng)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的最長的Tau亞型含有441個(gè)殘基。N1和N2是外顯子2、3編碼的多肽序列；P1和P2為富含脯氨酸的區(qū)域；R1–R4為由外顯子9–12編碼的微管結(jié)合域；²⁷⁵VQIINK²⁸⁰和³⁰⁶VQIVYK³¹¹是具有β結(jié)構(gòu)的序列。

2.1 微管結(jié)合域

體外Tau蛋白可增加微管聚合速率，同時(shí)抑制其解聚速率，作為微管蛋白聚合的促進(jìn)劑，其主要功能取決于MTBR。Tau蛋白質(zhì)C端具有3~4個(gè)含31或32個(gè)氨基酸殘基的重復(fù)區(qū)（R1–R4），即主體結(jié)構(gòu)呈Pro-Gly-Gly-Gly的“重復(fù)串聯(lián)”，構(gòu)成了Tau蛋白的微管結(jié)合區(qū)。MTBR在胎兒Tau蛋白中重復(fù)3次，在成人特定形式中重復(fù)4次。每個(gè)重復(fù)由高度保守的18個(gè)殘基組成，并通過13或14個(gè)殘基間隔區(qū)彼此分開。誘導(dǎo)微管聚合的最有效部分是R1-R2區(qū)域間中的肽²⁷⁵KVQIINKK²⁸⁰，這是4R Tau所獨(dú)有的。

Tau蛋白的正常功能

圖3. Tau蛋白的正常功能

對于最長的亞型，Tau蛋白通過4個(gè)微管蛋白結(jié)合域（圖3藍(lán)色框）牢固地結(jié)合在微管的外表面，促進(jìn)微管的組裝，并參與軸突運(yùn)輸。在細(xì)胞中，微管可以通過動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性改變其長度，是微管依賴性運(yùn)動(dòng)蛋白介導(dǎo)的細(xì)胞器運(yùn)輸軌道。例如正端定向運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)蛋白及其相關(guān)物，或負(fù)端定向運(yùn)動(dòng)動(dòng)力蛋白可以通過微管分別將線粒體、溶酶體、過氧化物酶體、內(nèi)吞囊泡或胞外囊泡運(yùn)送到細(xì)胞外圍或返回到微管組織中心（MTOC）。Tau蛋白可以影響軸突運(yùn)輸，Tau通過激酶和磷酸酶的協(xié)調(diào)作用維持磷酸化（圖3粉紅球）平衡，調(diào)節(jié)其與微管結(jié)合的親和力，改變微管依賴性的細(xì)胞內(nèi)運(yùn)輸。

2.2 富含脯氨酸的區(qū)域

Tau蛋白通過其富含脯氨酸的區(qū)域與多種蛋白的Src同源3（SH3）結(jié)構(gòu)域結(jié)合，如Fyn（一種來自Src家族的酪氨酸激酶）。Tau可以通過與樹突棘中的Fyn相互作用調(diào)節(jié)N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）受體信號(hào)傳導(dǎo)。病理性Tau可能參與Fyn激酶在突觸后區(qū)室的定位，在突觸后區(qū)室磷酸化NMDAR亞基，導(dǎo)致向內(nèi)Ca²⁺電導(dǎo)增加并導(dǎo)致興奮性毒性。在少突膠質(zhì)細(xì)胞中，Tau與Fyn的結(jié)合調(diào)節(jié)細(xì)胞質(zhì)過程的生長。

2.3 N端結(jié)構(gòu)域

N-末端稱為外伸結(jié)構(gòu)域，它從微管表面外伸出來，與其他細(xì)胞骨架成分和細(xì)胞膜接觸，在維持軸突的穩(wěn)定中發(fā)揮重要的作用。Tau蛋白的N端結(jié)構(gòu)域決定了軸突微管之間的間距。外周神經(jīng)元通常有一個(gè)直徑很大的長軸突。這種類型的神經(jīng)元包含一個(gè)額外的N端Tau序列，由外顯子4A編碼，因此會(huì)生成一種稱為“大Tau”的特定Tau亞型。Tau蛋白投射域可從微管表面投射出來，與其他細(xì)胞骨架元件和神經(jīng)元質(zhì)膜相互作用。

3. Tau蛋白功能

Tau蛋白作為軸突微管組裝的啟動(dòng)子，在維持神經(jīng)元投射和影響突觸功能方面發(fā)揮作用。Tau蛋白與微管結(jié)合的缺失可能導(dǎo)致突觸功能障礙。正常的Tau蛋白主要與軸突中的微管相關(guān)，參與突觸后區(qū)的突觸活動(dòng)。在生理或病理?xiàng)l件下，Tau蛋白被募集到突觸后和樹突。突觸活動(dòng)驅(qū)使Tau蛋白到達(dá)突觸后致密區(qū)，在那里Tau蛋白與突觸后密度蛋白相互作用。樹突Tau蛋白大多被過度磷酸化，不與微管結(jié)合。在阿爾茲海默癥（AD）或其他Tau病變中，樹突Tau在樹突丟失、突觸后活動(dòng)異常和認(rèn)知功能障礙中發(fā)揮重要作用。病理分子機(jī)制可能涉及NMDA或AMPA受體的調(diào)節(jié)，例如，樹突Tau通過與Fyn激酶絡(luò)合來觸發(fā)NMDA受體磷酸化來介導(dǎo)Aβ依賴性興奮毒性。

在突觸前，致病性Tau可能干擾正常的突觸囊泡釋放。過度磷酸化的Tau蛋白可以通過跨膜蛋白synaptogyrin-3介導(dǎo)，與突觸囊泡形成更穩(wěn)定的相互作用。這種致病關(guān)聯(lián)的結(jié)果可能使F-肌動(dòng)蛋白聚集在突觸前，并在物理上阻礙突觸囊泡釋放，導(dǎo)致神經(jīng)傳遞減少。

Tau蛋白不是神經(jīng)元存活所必需的，它在發(fā)育過程中作用并不重要，但Tau蛋白可以促進(jìn)長期細(xì)胞存活功能，對神經(jīng)元等非分裂細(xì)胞至關(guān)重要。Tau蛋白也可以引發(fā)一系列事件，導(dǎo)致神經(jīng)元在生命后期死亡。迄今為止，已經(jīng)鑒定出60多種Tau致病突變，約占所有額顳葉癡呆（FTD）病例的5%。突變按其在人類2N4R Tau中的位置編號(hào)。這些突變直接影響Tau翻譯后修飾、蛋白質(zhì)折疊和聚集，導(dǎo)致毒性功能獲得，引起疾病。

參考文獻(xiàn)

[1] Kolarova M, García-Sierra F, Bartos A, etal. Structure and pathology of tau protein in Alzheimer disease[J]. Int J Alzheimers Dis, 2012, 2012: 731526.
[2] Naseri NN, Wang H, Guo J, etal. The complexity of tau in Alzheimer's disease[J]. Neurosci Lett, 2019, 705: 183-194.
[3] 劉超, 閔蘇.Tau蛋白的研究進(jìn)展[J]. 臨床麻醉學(xué)雜志, 2012, 28(5): 517-519.