锌离子对人Tau蛋白致病结构形成的调控

阿尔茨海默病等一系列神经退行性疾病的重要病理特征之一就是主要由微管结合蛋白Tau所形成的神经纤维缠结，这些疾病给人类健康带来了重大威胁。本项目以病理性过磷酸化修饰的人Tau蛋白及其病理突变体为研究对象，以非磷酸化及正常磷酸化修饰的人Tau蛋白为对照，运用生物物理学和细胞生物学的研究手段，研究锌离子对人Tau蛋白致病结构形成的调控机制。一方面，在分子层面研究锌离子对过磷酸化、正常磷酸化的人Tau蛋白错误折叠动力学的影响，进而用固体核磁共振、透射电子显微和原子力显微镜等技术在高级结构水平上比较锌离子作用下过磷酸化、正常磷酸化及非磷酸化的人Tau蛋白错误折叠聚集体的结构差异；另一方面，直接观察锌离子作用下人Tau蛋白聚集体在胞内的定位状况，检测锌离子作用下人Tau蛋白聚集体的细胞毒性作用，在细胞水平研究锌离子对人Tau蛋白及其病理突变体错误折叠聚集体形成的调控，阐明其发挥毒性作用的机理。

阿尔茨海默病等一系列神经退行性疾病的重要病理特征之一就是主要由微管结合蛋白Tau所形成的神经纤维缠结，这些疾病给人类健康带来了重大威胁。人体内的Tau蛋白和锌离子都主要富集在人中枢神经系统神经细胞的轴突中。我们利用可诱导的细胞模型研究了锌离子对全长Tau蛋白病理突变体Tau-ΔK280磷酸化修饰和积聚的影响，发现全长Tau蛋白及其半胱氨酸突变体在SH-SY5Y细胞中都发生了异常磷酸化修饰和积聚，病理浓度锌离子显著促进了Tau-ΔK280的磷酸化修饰和积聚。Tau-ΔK280的积聚诱导细胞凋亡，有显著的细胞毒性，锌离子对Tau-∆K280积聚的促进作用则使凋亡加剧、细胞毒性增强。锌离子与Tau蛋白及其半胱氨酸突变体在细胞中都有共定位，在体外都有相互作用，但其作用模式明显不同。因此我们推测，锌离子通过与Tau蛋白291位和322位半胱氨酸残基的相互作用来促进Tau蛋白积聚和增强Tau蛋白毒性，291位、322位半胱氨酸突变后，该配位相互作用被破坏，锌离子从而丧失促进Tau蛋白积聚和细胞毒性的能力。我们的实验结果证明了在神经细胞中，病理浓度锌离子促进了Tau蛋白病理突变体磷酸化修饰和积聚，进而加剧细胞凋亡和恶化阿尔茨海默病。我们还发现Tau蛋白在可诱导的SH-SY5Y细胞中的积聚和诱导内源Tau蛋白磷酸化修饰具有序列依赖性，两段六肽序列PHF6和PHF6*双缺失导致胞内Tau蛋白丧失生长纤维和诱导内源Tau蛋白磷酸化修饰的能力，重新插入外源纤维形成片段恢复胞内Tau蛋白积聚和诱导内源Tau蛋白磷酸化修饰的能力，插入无关片段胞内Tau蛋白仍不能积聚和诱导内源Tau蛋白磷酸化修饰。进一步研究发现Tau蛋白的积聚引发细胞早期凋亡也具有序列依赖性，正是纤维形成片段决定了Tau蛋白具有生长纤维、诱导神经细胞凋亡和诱发阿尔茨海默病的能力。我们建立了Tau蛋白序列依赖性积聚的细胞模型，为细胞水平神经退行性疾病的起因和发生提供了线索。实验结果还表明，蛋白质二硫键异构酶（PDI）显著抑制了Tau蛋白纤维化的过程，PDI对Tau蛋白生长纤维产生抑制作用主要通过PDI的a结构域与Tau蛋白微管结合核心区片段的互作来实现。上述研究揭示了锌离子发挥毒性作用的机理和PDI抑制Tau蛋白错误折叠的分子机制及其在蛋白质质量控制中的作用，并有助于对阿尔茨海默病的预防、早期诊断和治疗。