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Nature | 人源Tau“毒株”可保留结构身份,确认可实现朊病毒样传播

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撰文|言笑

阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)及多种Tau蛋白病的核心病理特征,是Tau蛋白异常折叠、聚集并在脑内逐级扩散。过往研究已证实,病理性Tau并非仅仅在单个神经元内逐渐累积,而是可以被细胞摄取,并诱导正常Tau发生错误折叠,随后形成新的Tau聚集体并向脑内其他区域扩散。这种类似朊病毒(prion)的“模板诱导”机制,使Tau蛋白病的传播具有明显的疾病特异性【1-2】。然而,领域内一个长期存在的关键问题始终没有得到直接回答:不同疾病来源的Tau“毒株”(Tau strain),在进入新的宿主细胞后,能否稳定保留自身独特的三维结构身份与病理特征?

近日,来自剑桥大学的Sjors H. W. Scheres团队与Michel Goedert团队及东京大学的Masato Hasegawa团队合作在Nature杂志在线发表了题为Prion-like transmission of human tau strains in the mouse brain的研究论文。研究人员将来源于AD和皮质基底节变性(corticobasal degeneration,CBD)患者脑组织的Tau纤维注射到野生型小鼠脑内,并结合组织病理学、生化分析以及冷冻电镜结构解析发现:人源AD和CBD Tau stains不仅能够诱导小鼠内源Tau形成新的淀粉样纤维,而且新形成的小鼠Tau纤维在原子结构上分别与人脑来源的AD和CBD Tau纤维高度一致。这一研究为Tau通过模板化播种(templated seeding)进行“prion-like”传播提供了直接的结构学证据,也提示不同Tau疾病可能由具有独特三维构象的Tau strain驱动。


Tau是一种微管相关蛋白。在正常情况下,Tau主要参与维持轴突微管结构;而在AD等Tau蛋白病中,Tau发生异常磷酸化、错误折叠并组装形成高度有序的淀粉样纤维。过去十余年的研究已经逐渐建立起一个重要概念:异常Tau并不是简单地在细胞内“堆积”,而可能作为一种具有自我复制能力的“种子”,诱导正常Tau发生构象转换【3-4】。早期动物实验已经发现,将人脑来源的异常Tau注入小鼠脑内,可以在注射部位及远端脑区诱导Tau病理,并且不同Tau蛋白病来源的Tau种子能够产生具有不同细胞类型特征的病理改变【5-8】。例如,AD来源Tau可以诱导类似AD的神经元Tau病理,而CBD来源Tau则可以产生包括神经元和胶质细胞在内的、具有CBD特征的Tau病理。但这里存在一个更加本质的问题:如果Tau的传播真的遵循类似朊病毒(prion)的模板化机制,那么“种子”传播的应该不仅仅是Tau蛋白本身,更应该是它所携带的特定三维构象。即一个AD Tau ‘strain’进入新的细胞后,能否指导新的Tau分子形成与原始AD Tau完全相同的结构?这是该研究回答的核心问题。

不同疾病来源的Tau种子,在小鼠脑内产生不同的病理表型

研究人员首先从AD和CBD患者脑组织中获得Tau纤维,并分别注射到野生型小鼠脑内。两种Tau种子在小鼠脑内产生了截然不同的病理特征(图1)。AD Tau种子主要诱导神经元胞体和突起中的Tau病理,而CBD Tau种子除了能够诱导神经元Tau包涵体之外,还能够在胶质细胞中形成典型的Tau病理,包括coiled bodies以及类似人类CBD中所观察到的斑块样星形胶质细胞Tau包涵体。这种疾病来源依赖性的病理模式非常重要。因为如果所有Tau种子进入小鼠脑后最终都形成完全相同的Tau聚集物,那么不同Tau蛋白病之间的“strain”差异就很难得到支持。相反,AD和CBD来源的Tau能够在同一个野生型小鼠环境中诱导出不同的细胞类型和病理形态,提示Tau种子本身携带了决定病理特征的信息。

研究人员进一步使用GT-38抗体进行验证【9】。该抗体能够识别人类AD Tau包涵体,但不能识别典型的3R-only或4R-only Tau蛋白病中的Tau。在AD Tau种子注射的小鼠中,GT-38能够检测到Tau包涵体;而在CBD Tau种子注射的小鼠中则没有明显信号。由于成年小鼠主要表达4R Tau,这些结果进一步提示,AD和CBD Tau种子在小鼠脑内形成的新Tau纤维具有不同的构象环境。因此,疾病来源不同的Tau种子,确实能够在相同的小鼠宿主环境中“保留”疾病相关的病理特征。


图1. 注射人源AD或CBD Tau种子后9个月,野生型小鼠脑组织的组织学染色

新形成的Tau纤维来自小鼠自身Tau,而不是残留的人源Tau

仅凭组织病理学仍然无法回答关键问题:小鼠脑内看到的Tau纤维究竟是注射进去的人源Tau,还是小鼠自身Tau被重新“复制”出来的?为了解决这一问题,研究人员对小鼠脑中的sarkosyl-insoluble Tau进行了生化分析。结果显示,在AD和CBD Tau种子注射后,小鼠脑内逐渐积累不溶性Tau。更重要的是,这些不溶性Tau能够被识别小鼠Tau的抗体检测到,而人源Tau特异性抗体HT7则无法检测到相应信号。这说明随着时间推移,最初注射进入脑内的人源Tau种子逐渐被清除,而脑内持续积累的异常Tau主要来自小鼠自身的Tau蛋白。

时间动态也进一步支持这一观点。研究人员发现,注射后最初可以检测到人源Tau种子,但大约1周后,这些外源Tau已经难以检测;与此同时,新的Tau包涵体并不是立即出现,而是在之后逐渐形成。CBD Tau种子注射后约1个月即可观察到Tau包涵体,而AD Tau种子诱导的病理出现得更晚,大约在3个月后开始明显出现,并且随着时间进一步增加。随后,通过免疫金标记电子显微镜,研究人员确认这些新形成的纤维确实包含磷酸化的小鼠Tau。

冷冻电镜给出答案:小鼠Tau“复制”了人源Tau的三维结构

研究人员从注射AD和CBD Tau种子的小鼠脑中分离Tau纤维,并进行高分辨率冷冻电镜重构(图2)。AD-Tau种子诱导小鼠产生的病理纤维中,约83%为典型的配对螺旋丝(PHFs, paired helical filaments),研究人员以3.6 Å分辨率完成结构解析。结构叠合分析显示:小鼠脑内新形成的Tau PHF与人类AD脑组织来源的Tau纤维在原子结构上几乎完全一致,两者叠合后的all-atom RMSD仅为 0.906 Å【10-11】。也就是说,人类AD Tau进入小鼠脑内之后,并不是简单地诱导小鼠Tau形成“某一种Tau纤维”,而是诱导小鼠Tau形成了与人类AD Tau高度一致的特定三维构象。CBD-Tau种子注射后形成的纤维以单原丝结构为主(约占74%),3.4 Å高分辨结构解析表明,这些小鼠来源的Tau纤维与人类CBD I型Tau纤维高度一致,all-atom RMSD仅为0.576 Å【12】。因此,无论是AD还是CBD,人源Tau种子进入小鼠脑后,诱导形成的小鼠Tau纤维都保留了原始疾病相关Tau fold的结构身份。


图2. 小鼠Tau蛋白纤维的冷冻电镜结构

综上所述,该研究搭建了动物模型、生化验证及原子级冷冻电镜结构的完整证据链,实现了Tau研究领域的关键突破:(1)首次在原子尺度证实,人源疾病特异性Tau构象可跨物种模板化复制,稳定保留自身结构身份与病理特征;(2)明确了Tau毒株是决定不同Tau蛋白病病理差异的核心因素;(3)将领域认知从“Tau蛋白会扩散”升级为“Tau的结构信息可传播、可遗传”。同时,该研究也为下一代Tau蛋白病精准治疗指明了新方向:传统治疗仅聚焦“清除Tau蛋白”,而未来可靶向Tau毒株的特异性折叠、模板化转换、结构传播过程,实现疾病分型精准干预。

原文链接:https://doi.org/10.1038/s41586-026-11061-x

制版人: 十一

参考文献

1. Peng, C., Trojanowski, J. Q. & Lee, V. M.-Y. Protein transmission in neurodegenerative disease.Nat. Rev. Neurol.16, 199-212 (2020).

2. Collinge, J. & Clarke, A. R. A general model of prion strains and their pathogenicity.Science318, 930-936 (2007).

3. Frost, B., Jacks, R. L. & Diamond, M. I. Propagation of tau misfolding from the outside to the inside of a cell.J. Biol. Chem.284, 12845-12852 (2009).

4. Clavaguera, F. et al. Transmission and spreading of tauopathy in transgenic mouse brain.Nat. Cell Biol.11, 909-913 (2009).

5. Boluda, S. et al. Differential induction and spread of tau pathology in young PS19 tau transgenic mice following intracerebral injections of pathological tau from Alzheimer’s disease or corticobasal degeneration brains.Acta Neuropathol.129, 221-237 (2015).

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8. Iba, M. et al. Tau pathology spread in PS19 tau transgenic mice following locus coeruleus (LC) injections of synthetic tau fibrils is determined by the LC’s afferent and efferent connections. Acta Neuropathol. 130, 349-362 (2015).

9. Gibbons, G. S. et al. Detection of Alzheimer disease (AD)-specific tau pathology in AD and NonAD tauopathies by immunohistochemistry with novel conformation-selective tau antibodies.J. Neuropathol.Exp. Neurol.77, 216-228 (2018).

10. Fitzpatrick, A. W. P. et al. Cryo-EM structures of tau filaments from Alzheimer’s disease.Nature547, 185-190 (2017).

11. Falcon, B. et al. Tau filaments from multiple cases of sporadic and inherited Alzheimer’s disease adopt a common fold.Acta Neuropathol.136, 699-708 (2018).

12. Zhang, W. et al. Novel tau filament fold in corticobasal degeneration.Nature580, 283-287 (2020).

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