以严谨的学术逻辑思维探索神经科学之奥秘
撰文︱王思珍责编︱王思珍
阿尔茨海默症（AD），俗称老年痴呆，是一种进行性的、且致命性的神经退行性疾病，特征性的病理变化为大脑皮层萎缩，并伴有β-淀粉样蛋白（Aβ）沉积、神经纤维缠结、大量记忆性神经元数目减少、以及老年斑的形成。（拓展阅读：Science神经科学领域9-10月综述精选(一)；Science神经科学领域9-10月综述精选(二)）
tau蛋白是一种主要在脑细胞中表达的微管相关蛋白，其作用是稳定轴突微管，过度磷酸化会导致tau解离和随后的微管不稳定性、以及tau低聚化。在AD以及其他tau蛋白病变中，过度磷酸化的tau会引起许多成对螺旋纤丝的集合，从而产生神经纤维缠结（neurofibrillarytangles），而神经纤维缠结的存在最终会导致神经元凋亡和进一步的疾病发生。
MAPT是tau蛋白的编码基因，MAPT中的多种已知的常染色体显性突变表明了tau蛋白在痴呆中的重要性。因此鉴定其他影响tau蛋白积累的致病基因，包括参与蛋白质质量控制和tau蛋白清除的基因，有可能会揭示出全新的维持神经元健康的机制。
含缬氨酸蛋白（valosin-containingprotein，简称VCP）是一种AAA+蛋白，其可以利用ATP水解所产生的能量来打开底物，以协助对大分子复合物的降解。AAA+指一类与多种细胞活性相关的腺苷三磷酸酶（ATPase）。
有研究表明，VCP蛋白表达于中心神经系统的多个细胞类型中，包括额叶、大脑皮层、质脊髓等神经细胞；VCP基因也是一种很关键的基因。另外，在萎缩侧索硬化症（ALS，俗称渐冻人症）、额颞叶痴呆（FTD）、多系统蛋白质疾病（MSP）、帕金森病（PD）等神经退行性疾病中也发现了VCP基因的变异和蛋白功能的异常。有一个VCP基因的突变，即第位点的天冬氨酸（Asp或D）突变成了谷氨酸（Gly或G），简称VCPAspGly或VCPDG，所导致神经退行性变的机制尚不清楚。
宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院的EdwardB.Lee博士科研团队长期致力于探索人类神经退行性疾病的根源，包括ALS、FTD等，并期待将研究成果转化为特定的疾病修饰疗法。在于年11月20日以AutosomaldominantVCPhypomorphmutationimpairsdisaggregationofPHF-tau为题发表于Science上的研究文章中，Edward团队揭示了VCPAspGly是AD的一个显性基因突变。该突变会加重tau蛋白所引起的神经纤维缠结，从而呈出一种全新的“空泡性tau蛋白病变”。研究提示了靶向VCP蛋白可能是AD的潜在治疗靶点。在研究中，首先，通过全基因测序，作者在两个FTD常染色体显性遗传模式的家庭中发现了VCP突变，即VCPAspGly，但未发现MAPT基因变异（图1）。而且（死后）个体有明显的大脑萎缩：大脑重量减轻，严重额叶萎缩，并伴有额颞叶变性（图1）。
图1VCP突变基因的家系鉴定（A和B）和其多态性（C）
（图片引自：N.F.Darwich,etal.,Science,;:saay）
有趣的是，作者发现，灰质神经元有明显的低电子密度的、有膜结构的空泡体（vacuoles）。免疫组化染色表明，这种特殊的空泡体有可能起源于细胞内吞作用，而且有些空泡体具有溶酶体特征（图2）。同时在死后个体大脑的额、颞、顶叶新皮层中，发现有神经元的丢失和有大量的tau蛋白聚集，但无TDP-43、Aβ、α-突触核蛋白等的聚集；进一步染色发现，VCPAspGly表现出tau的病理特征，即AD神经纤维缠结（图2）。因此作者将一有趣发现命名为：“空泡性tau蛋白病变”（vacuolartauopathy）。图2空泡性tau蛋白病变
（图片引自：N.F.Darwich,etal.,Science,;:saay）
紧接着的结果表明，脑内空泡的存在与神经原纤维缠结呈负相关：神经退化的大脑区域如额叶新皮层有tau的聚集，而非神经退化的大脑区域如视觉皮层则出现空泡（图3）。换言之，在病理层面上，空泡性tau蛋白病变主要位于在大脑新皮层（且伴有微弱的神经退化），而tau积累则与小脑萎缩、神经元丢失及反应性神经胶质再生相关（图3）。这些结果充分说明了大脑神经空泡化与神经纤维缠结的区别与联系。
图3脑内空泡与神经原纤维缠结之间的关系
（图片引自：N.F.Darwich,etal.,Science,;:saay）
多系统蛋白疾病（MSP）是一种多效性神经退行性疾病，影响肌肉、骨骼以及神经系统，并在神经系统中伴随有额颞叶变性TDP-43蛋白包涵体（简称FTLD-TDP）。MSP变异导致ATP酶活性和VCP降解底物能力的增强，这暗示了MSP与VCP基因突变的获得性功能（gain-offunction）有关。图4VCPAsp的结构（A）和保守型（C）（图片引自：N.F.Darwich,etal.,Science,;:saay）
首先，计算机模拟显示，VCPAsp有三个功能结构域，即N末端、以及两个天冬氨酸（简称D）ATP酶结构域D1和D2；而且Asp位点在物种间具有高度保守型。然后作者在体外实验中评估了重组VCP蛋白的ATP酶活性（图4）。米氏动力学、最大酶活、米氏常数、以及耐盐性和耐温度性等酶学分析实验表明，VCPAspGly蛋白有ATP酶活性的部分丧失，特别是D2结构域的ATP酶活性显著低于野生型VCP，而MSP突变则会增强ATP酶活（图5）。这些数据说明：天冬氨酸突到谷氨酸的突变，即AspGly，是一种亚等位基因突变（hypomorphmutation）。图5VCP蛋白的ATP酶活性分析
（图片引自：N.F.Darwich,etal.,Science,;:saay）
在进一步的免疫组化和免疫荧光实验中，作者观察到，在空泡性tau蛋白病变中，VCP位于神经纤维缠结的附近，而在AD组织中，VCP则在神经纤维缠结和有老年斑块的内部。这提示：在AD中,VCP蛋白可能与病理性的tau相互作用（图6A-C）。同时考虑到VCPAspGly蛋白与tau聚集有关，以及VCP具有打开蛋白底物的能力，因此作者推测：VCP也有可能解聚（或降解）病理性的tau聚集。图6VCP与神经纤维缠结的定位（A-C）、及对tau聚集的解聚活性依赖于能量（D-F）和多聚泛素化（G）（VT：空泡性tau蛋白病变）
（图片引自：N.F.Darwich,etal.,Science,;:saay）
正如期望的那样，VCP能够部分解聚AD人类脑组织产生的病理性tau聚集，而突变体AspGly和D2则会削弱这种解聚活性（D2突变指只含有D2ATP酶功能域的VCP重组蛋白）；而且VCP对病理性tau的解聚活性是依赖于能量（即ATP）的，也依赖于底物（即tau）的聚泛素化（图6D-G，图7）。换言之，VCP的确能够解聚（或降解）病理性的tau聚集，但如果ATP降低或tau多泛素化时，野生型VCP的这种解聚能力就会被减弱，且野生型和突变型表现出相反的解聚能力（图6D-G，图7）。的确，这些结论在一种生物传感器细胞模型中得到了证实。图7VCP对tau聚集和病理性tau纤维的解聚作用
（图片引自：N.F.Darwich,etal.,Science,;:saay）
文章最后，为了进一步夯实以上体外实验结果、并进一步检测VCPAspGly基因在tau蛋白病变机制中的作用。于是作者构建了VCPAspGly基因敲入小鼠。这些小鼠体型较小、存活时间缩短（略短于一年）、且为非孟德尔遗传（即后代中没有出现亲代性状的分离）。与此同时，这些转基因小鼠没有出现明显的神经退行性变（图8），这一结果进而提示了VCP蛋白对tau聚集的“解毒功效”，也说明了VCP解聚位于tau聚集的下游。图8VCP突变在小鼠tau蛋白病变机制中的作用（LSN：外侧隔核，DHP：背侧海马,VHP：背侧海马，RM：逆乳头体核，ENT：内嗅皮层）
（图片引自：N.F.Darwich,etal.,Science,;:saay）
那么为了引发tau蛋白的小鼠脑内聚集，作者分别在三种转基因小鼠（+/+、DG/+、DG/DG）的海马区域与注射了AD病理性的tau。结果发现，与野生型小鼠相比，突变VCP小鼠的tau聚集量有所增加，特别是外侧隔核、背侧海马和背侧海马、逆乳头体核、以及内嗅皮层等脑区域的tau病理更为严重（图8）。
图9文章总结图：空泡性tau蛋白病理与VCP蛋白功能
（图片引自：N.F.Darwich,etal.,Science,;:saay）
文章结论研究者在额颞叶痴呆患者中发现了VCPAspGly基因突变，在AD中，该基因突变展现出神经元空泡性和神经纤维缠结的特征，因此被命名为了“空泡性tau蛋白病变”（图9）。
在体外，VCP表现出对tau聚集的解聚活性（或能力），且这种解聚活性受到能量和多聚泛素化的影响，而突变则会削弱这种活性（图9）。
在细胞模型和基因敲入小鼠中，VCPAspGly会增加tau蛋白的聚集，并加重特定脑区的tau疾病病理（图9）。
这些发现提示了VCPAspGly是一种常染色体显性基因突变，具有神经退行性病变的获得性功能（图9）。
该项研究也暗示了蛋白质解集（或降解）在维持神经元健康方面的潜在作用，以及VCP可能是将来AD治疗一个潜在的靶点（图9）。
原文详见：