揭開蛋白質聚集及其翻譯後異常修飾與退行性疾病的「面紗」

神經退行性疾病，包括一系列受害組織或器官的結構或功能逐步惡化的疾病，如帕金森症（PD）、阿爾茨海默症（AD）、傳染性海綿狀腦病（TSE）、2型糖尿病和額顳葉痴呆（FTD）。

它們是由於特定的神經元群體逐漸缺失而導致的臨床癥狀，是危害人類健康的一類與年齡相關聯的重要退行性疾病。退行性疾病通常使患者逐步喪失認知能力、行為能力和日常的生活能力，給患者生理和心理帶來極大的痛苦，同時給患者家庭和社會帶來重大的負擔。目前許多退行性疾病的發病機理尚未研究清楚，大多數疾病目前的治療方法也是治標不治本，並且療效還遠遠不能讓人滿意，因此闡釋這些疾病的致病機理並找到治癒的方法尤其重要。

蛋白質是生命活動的執行者。生物體內紛繁複雜的蛋白質協調作用，共同完成多種生物學功能。人們發現，人類基因只能編碼出3萬～5萬種不同的蛋白質和多肽，但生命體內紛繁複雜的生命過程的調控僅僅靠這樣小數目的蛋白質和多肽遠不能完成，而蛋白質翻譯後修飾 （Post-translational modifications，PTMs）則極大增加了蛋白質的多樣性。

蛋白質翻譯後修飾主要是指mRNA被翻譯成蛋白質後，蛋白質上的某些氨基酸發生了進一步共價修飾。而磷酸化 （phosphorylation）是生物界最普遍、最重要的一種蛋白質翻譯後修飾方式。磷酸化通過改變蛋白質的構象、活性及與其他蛋白質之間的相互作用，對信號傳導、基因表達、細胞分裂等生物學過程發揮重要的調控功能。蛋白質磷酸化發生異常會導致蛋白質結構和功能的異常變化，與退行性疾病的發生相關。

從分子的角度來看，神經退行性疾病的一個共同特徵是蛋白質的錯誤摺疊以及異常聚集形成澱粉樣β-摺疊絲狀結構。雖然人們清楚地認識到蛋白質錯誤摺疊和聚集是神經退行性疾病的病理特徵，但蛋白質聚集及神經毒性的確切機制在很大程度上卻是未知的。蛋白質聚集可以通過各種細胞事件調節，包括各種不同類型的壓力、分子擁擠或局部微環境，如金屬離子濃度。

此外，不同的翻譯後修飾，如磷酸化、泛素化或類泛素化修飾，能改變蛋白質的構象和生物功能，也能影響蛋白質摺疊和聚集，從而在神經退行性疾病中發揮關鍵作用。蛋白質聚集體是動態結構，允許小的可溶性物質相對容易地分離或附著在較大的蛋白質聚集體上。因此，蛋白質聚集體的溶解度、穩定性和大小是可變的。最初人們認為，大的不溶性蛋白質聚集體具有神經毒性，然而，目前有些研究表明，它們可能具有神經保護作用，而更小、更可溶的低聚物是那些造成神經毒性的物質。這個結論的研究共識還未達成，但無論蛋白質聚集本身是不是具有毒性，為了認識、診斷和治療神經變性疾病，揭開其相關蛋白質聚集的機制都是必要的。

蛋白的錯誤摺疊和聚集模型

目前已經發現了一些與退行性疾病密切相關的異常磷酸化的蛋白質。例如：

（1）阿爾茨海默症中，Tau 蛋白的異常磷酸化導致其聚集形成神經纖維纏結；Tau 蛋白的 O-GlcNAc 修飾與磷酸化互補調節蛋白質功能；Aβ多肽Ser8上的磷酸修飾能減弱胰島素降解酶和血管緊縮素轉化酶對 Aβ 的清除作用。Aβ 是一種由澱粉樣前體蛋白（APP）連續水解得到的多肽。

（2）帕金森症相關的α-核突觸蛋白（α-Synuclein，α-Syn）是一類與退行性疾病相關的重要蛋白質，帕金森症患者腦中沉積的 α-Syn 存在異常磷酸化。

（3）亨廷頓症 （HD）則被發現與亨廷頓蛋白（Huntingtin）的異常聚集相關，已發現亨廷頓蛋白Thr3殘基能夠發生磷酸化，此修飾能增強蛋白質的聚集和神經毒性。

（4）肌萎縮性脊髓側索硬化症（ALS）與超氧化物歧化酶 1（SOD1）、TAR DNA 結合蛋白 43（TDP-43）等蛋白質的功能異常化相關。SOD1 的Thr2、Thr58、Ser59位點磷酸化，TDP-43 的Ser409和Ser410位點磷酸化與家族型肌萎縮性脊髓側索硬化症發病相關。

雖然人們研究發現蛋白磷酸化與其聚集和毒性有關，但翻譯後修飾對疾病過程的明確作用仍然沒有定論。例如，蛋白的磷酸化是聚集的起因還是結果，或是磷酸化具有神經毒性作用還是神經保護作用，還沒有定論。此外，到目前為止只有少數的磷酸化位點在人體組織中得到了確認，所以可能還有其他與人類病理相關的有待確定的部位。Tau蛋白磷酸化在許多方面調節Tau蛋白的功能，而Tau蛋白的異常磷酸化具有神經毒性。Tau蛋白磷酸化和聚集之間的關係顯然是複雜的，有證據表明，Tau蛋白磷酸化之前，阻止磷酸化不能影響它的聚集。

微量金屬元素，如銅、鐵、鋅等，是生物體必需的，與碳、 氫、氧等相比含量稀少的金屬元素類型。在生命活動過程中，這些金屬元素的離子發揮著重要的作用，它們通常參與組成酶的活性中心，作為酶的輔基或輔因子，或是參與穩定蛋白質的空間構象，或是參與重要生化反應的過程。以鋅離子為例，人類基因組上的蛋白，有3%～5%都可以結合鋅離子，其中包括許多鋅依賴的轉錄因子和酶等，生物體內的許多酶類，如磷脂酶C、銅/鋅超氧化物歧化酶SOD1、鹼性磷酸酶等都需要利用鋅離子作為其輔基或輔因子。金屬離子整合入蛋白或金屬化發生在蛋白質翻譯後，也可理解為一種特殊的翻譯後修飾。

金屬離子能夠誘導蛋白質的聚集。有證據表明，許多神經退行性疾病相關蛋白，如阿爾茨海默氏症中的Aβ和Tau蛋白能夠和金屬離子直接作用導致聚集。我們的研究發現，鋅離子能通過Tau蛋白上的兩個半胱氨酸殘基與Tau結合，進而促進Tau蛋白的聚集而產生神經細胞毒性，如果去除Tau蛋白與鋅離子的結合能力，或是通過金屬離子螯合劑降低動物體內的鋅離子水平，則能很好地降低Tau蛋白的毒性和相應的神經退行性病變，且這個過程獨立於Tau蛋白的異常磷酸化水平的變化，鋅與Tau蛋白直接結合所引起的Tau蛋白聚集及其毒性和異常磷酸化所引起的Tau蛋白的聚集及其毒性是兩個獨立事件，兩者都是Tau蛋白聚集與毒性的重要來源。除能與Tau蛋白直接結合外，鋅離子還能通過影響蛋白激酶Erk、p70S6K等和蛋白磷酸酶PP2A的活性而引起Tau蛋白過度磷酸化水平的改變。

近來的研究發現，纖毛的缺陷也和退行性疾病密切相關。纖毛是突出於細胞表面的一種主要由細胞微管組成的結構。運動纖毛的功能顯而易見，它參與細胞的運動，如精子的運動；或推動細胞周圍液體的流動，如呼吸道上皮細胞纖毛的擺動具有清除呼吸道粘液的作用。而不動纖毛的功能從上世紀末才逐漸開始得到揭示，不動纖毛具有多種受體和離子通道，因此，可以感受外源的刺激，產生信號傳導，從而影響細胞的分裂、動物的發育和器官的正常功能。

纖毛的缺陷和多種疾病以及發育異常相關，包括腎囊腫、肥胖、骨骼發育異常、內臟反轉、男性不育、視網膜色素退行性疾病等。纖毛幾乎存在於人體的每個細胞中，包括大腦細胞。大腦細胞的纖毛可影響神經細胞的分化和命運，細胞的遷移等，從而影響大腦的功能。

人們發現異常的亨廷頓蛋白在大腦纖毛中大量積累，影響了纖毛的形態和信號傳導，從而引出一個有趣的問題：亨廷頓疾病是否有可能通過纖毛的功能缺陷而導致疾病的發生呢?有證據表明纖毛和老年痴呆有一定的關聯，在一種老年痴呆症小鼠中，發現海馬齒狀回細胞的纖毛長度變短，推測纖毛形態的改變影響了纖毛的正常功能，從而參與了老年痴呆症的發生過程。視網膜色素變性症也是一種退行性疾病，部分病人的病因是視網膜色素細胞的纖毛的缺陷造成的。由於纖毛的組裝和功能與蛋白質的翻譯後修飾密切相關，因此，研究纖毛相關的蛋白質翻譯後修飾如磷酸化也是非常必要的。

翻譯後修飾對蛋白特性有較大的改變，探索不同的翻譯後修飾對於了解疾病十分重要。研究神經退行性疾病相關蛋白的翻譯後修飾可能會大大影響我們對神經退行性疾病相關的不同蛋白的生物學認識，了解這一過程將有益於新的治療策略的發展。

致謝： 感謝國家973計劃項目「退行性疾病相關重要蛋白質翻譯後修飾的化學生物學研究」（項目編號：2013CB910700）子課題「蛋白質翻譯後修飾的調控機制」（課題編號：2013CB910703）的支持。

專家簡介

羅施中：北京化工大學教授。

周兵：清華大學教授。

潘俊敏：清華大學教授，本課題負責人。

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