Tau突变引发额颞叶痴呆的机制研究

Dementia is the second “killer” in diseases of the elderly. There are about 47 million dementia patients worldwide, and the number is increasing by 10 million every year. However, no effective medicines are able to cure dementia so far. Frontotemporal dementia (FTD) is the second common dementia, preceded only by Alzheimer’s disease (AD). Its disease mechanism is not clear yet, but closely related to Tau protein according to references. This proposal plans to study the functions, structures, and self-aggregation of Tau wildtype and five mutants, aiming to find how the mutations cause FTD. We will study the binding affinity between Tau and tubulin by ITC, the ability of tau to promote microtubule polymerization by light scattering, the binding sites of tubulin on Tau by NMR, the secondary structure change of Tau after interacting with tubulin by CD, and Tau’s self-aggregation kinetics by ThT fluorescence and TEM. This proposal will be the first research on studying the interaction between tubulin and several Tau mutants and comparing the effects of mutations on Tau’s properties. It’s expected to find the mechanism of how Tau mutations induce FTD and provide basic data for discovering drugs to cure FTD.

老年痴呆症是老年病中的第二“杀手”，全球约4700万老年痴呆患者，每年有1000万的新增病例，目前尚缺乏有显著疗效的药物。额颞叶痴呆(FTD)是老年痴呆的一种，仅次于阿尔茨海默病(AD)的第二大常见的早发型痴呆症，其发病机制目前尚不很清楚，但文献指出与Tau蛋白密切相关。本项目主要研究野生型和五个突变体Tau蛋白的功能、结构、纤维化等，从上述三方面预期找到Tau突变点引发FTD的发病机制。可通过等温滴定量热法和光散射法研究每个Tau蛋白同微管蛋白的结合强弱以及它们诱导微管成束的能力；通过核磁共振和圆二色谱测量Tau蛋白与微管蛋白的结合位点以及二级结构变化；通过荧光光谱学和透射电镜观察每个Tau蛋白自身的聚集动力学。本项目将是首次研究Tau的多个突变型与微管蛋白的结合，进一步将系统比较Tau多个突变型在性能方面的异同，为阐明它们引发FTD的机制，及为寻找FTD治疗药物的新靶点提供基础数据。

额颞叶痴呆（FTD）是继阿尔茨海默病之后，第二大常见的痴呆症。部分FTD 具有与17号染色体连锁关系，命名为FTDP-17。FTDP-17是位于染色体17q21.31 上的MAPT基因突变所致。至今，在家族性额颞叶痴呆病例中，已陆续发现MAPT 基因中大约有80个致病性错义突变，大多落在Tau 蛋白结合微管的编码区。. Tau蛋白是微管相关蛋白，在神经元细胞内主要协助微管组装，但病变的Tau蛋白却会从微管上脱落，异常聚集，形成诱导神经元死亡的病理产物。目前，在阿尔茨海默病中Tau蛋白研究热点主要集中于过度磷酸导致的相关病理机制，而很少涉及Tau蛋白的基因突变。有报道称，FTDP-17中的Tau基因突变同样可形成类似于阿尔茨海默症患者大脑中发现的神经纤维缠结（NFT）。所以，从Tau蛋白基因突变入手，特别是微管结合区域的突变，研究不同突变对Tau蛋白纤维化和微管组装功能的影响是一条新的途径。. 本研究课题选取的是FTDP-17临床上已发现的5种Tau突变：K257T、N279K、P301L、K317M 和V337M，它们位于Tau结合微管的重复区域（R1-R4）。以Tau k18片段为材料，首先通过对Tau k18序列上不同位点进行单点突变，获取不同种类的突变体蛋白。然后进行了如下实验：1）ThT荧光法和透射电镜检测不同突变体在肝素钠的诱导下进行纤维化；2）通过光散射实验研究每种Tau k18蛋白促进的微管组装动力学，比较它们促进微管组装的能力差异；3）通过对Tau k18和Tubulin异二聚体进行同源建模和分子对接，分析Tau k18上哪些氨基酸和Tubulin有结合作用，推测不同突变位点对微管组装功能的影响。. 通过对不同突变型 Tau蛋白进行体外纤维化和促进微管组装的功能研究，得出重要的结论如下：1）以野生型Tau k18 作为对照，突变型蛋白V337M 和P301L 可以明显加速纤维化聚集；N279K和K317M延缓了自身纤维化；而K257T影响的是纤维化的成核阶段，延缓了成核。2）突变体都影响到微管的组装动力学，与野生型相比，都不同程度地降低了微管组装效率。跟野生型Tau k18相比，K317M、K257T的影响最大，而V337M影响相对较小。为针对不同病因的FTDP-17患者提供不同治疗手段的精准医疗打下前期实验基础。