中外學者發現阿爾茨海默症關鍵蛋白與腦卒中關聯 | 前沿
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腦卒中的治療是一場和時間的賽跑，圖片來自medscape.com
撰文 | 丁旭隆（四川大學生物治療國家重點實驗室）
責編 | 徐 可
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俗話說：「少怕歪，老怕摔。」我們除了要知道在老人摔倒後及時採取相應的治療措施，同時也要了解老人為什麼會摔倒。很多人會說中風或者腦溢血。的確，打開百度，將「老人暈倒」和「中風」同時搜索，立馬會彈出許多相關的新聞。那麼，中風到底是個什麼樣的疾病呢？
人類第二大殺手——中風
中風，學名腦卒中
（stroke）
。我們常說的腦溢血是腦卒中的一類，學名出血性腦卒中（hemorrhagic stroke，HS）
，它是由於腦部血管突然破裂導致腦組織損傷，只佔腦卒中發病的20%-30%。而腦卒中中最常見的一類是缺血性腦卒中（ischemic stroke，IS）
，下圖顯示了其發病原因：腦部供血血管內壁產生血栓，脫落後堵塞動脈血管，導致大腦供血不足而壞死。
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圖1 大腦某處血管發生堵塞誘發缺血性腦卒中，圖片來自wikipedia
目前，腦卒中已經成為威脅人類生命的第二大殺手，根據美國心臟協會
（AHA）
2017年對心臟病和卒中流行病學統計數據，在美國，20%的死亡是由於腦卒中。大約每40秒就有一人發生腦卒中。下圖是1990和2013年年齡標準化的缺血性腦卒中患者死亡率變化情況和2013年缺血性腦卒中年均傷殘調整壽命年比率。從圖中可以看出，雖然大多數地區的死亡率相比之前有所下降，但是由於現有的治療措施只是通過手術或者藥物治療清除堵塞血管的血栓，並不能挽救血管周圍受損的神經，所以其致殘率逐年攀升。因此，迫切需要有一種更加有效的治療方法。
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圖2 1990和2013年缺血性腦卒中患者年齡標準化死亡率變化百分比，圖片來自karger.com
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圖3 2013年缺血性腦卒中年齡標準化年均傷殘調整壽命年比率（每十萬人），圖片來自karger.com
讓人又愛又恨的tau蛋白
就像房子需要一定的鋼筋來支撐房子的結構，在細胞中有著微管
（
microtubule, MT)
、微絲
（microfilament, MF ）
及中間纖維
（intermediate filament, IF ）
組成的細胞骨架體系
（cytoskeleton）
來維持細胞的形態。在這其中，tau蛋白
（microtubule-associated protein tau）
發揮了重要的作用。它與微管蛋白結合促進其聚合形成微管，並且與形成的微管結合，維持微管穩定性，降低微管蛋白分子的解離，並誘導微管成束。
這樣一個重要的蛋白質，一旦發生病理性變化，後果不堪設想。下圖是病理性的tau蛋白在阿爾茨海默症
（alzheimer』s disease, AD）
中的作用過程。紅色的條狀物代表生理狀態下的tau蛋白，此時它們正結合在微管上穩定微管的結構。一旦tau蛋白被一些磷酸激酶作用變成了磷酸化的tau蛋白，它們就會從微管上脫落，然後逐漸聚集，形成神經纖維纏結（neurofibrillary tangles, NTFs）
。神經元微管結構被廣泛破壞，正常軸突轉運受損，引發突觸功能損傷，腦神經發生退行性病變。
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圖4 Tau蛋白在阿爾茨海默症中相關病變示意圖，圖片來自nature.com/nature-reviews-neurology
腦卒中治療的新希望
那麼看似毫不相關的腦卒中和tau蛋白之間存在什麼聯繫呢？近日，來自四川大學和新南威爾士大學的科學家分別從離子和蛋白的角度揭示了tau蛋白在腦卒中引起的神經細胞損傷中起到的作用。
tau蛋白、缺血性腦卒中和鐵離子
四川大學雷鵬課題組與華中科技大學劉蓉課題組合作，9月8日在Nature 子刊Molecular Psychiatry在線發表論文，該文章將tau蛋白，缺血性腦卒中和鐵離子三者聯繫起來。鐵是人體內含量最高的微量元素，廣泛存在於各個組織和器官中，它是構成血紅蛋白、肌紅蛋白及多種酶的重要成分。同時鐵離子還能介導細胞死亡——鐵死亡
（ferroptosis）
，這與本研究關係密切。雷鵬團隊發現， tau蛋白的主要功能之一是將多餘的鐵離子從大腦中運出，避免鐵離子的積累。而在腦卒中發生後大腦中的tau蛋白髮生病理性變化，造成鐵離子轉運障礙，導致鐵離子沉積，從而引起細胞發生鐵死亡，這樣進一步加劇了卒中病人的腦損傷。那麼，我們可以這樣思考：既然病理性的tau蛋白介導了鐵死亡過程，那如果我們從一開始就將tau基因敲除是不是能阻止這個通路呢？研究人員依據這個思路選用tau基因敲除小鼠進行實驗。首先是對比三個月大
（相當於人15歲的年紀）
的正常鼠和tau基因敲除鼠，構建缺血性腦卒中模型，然後進行相應的指標檢測（神經功能評分，腦缺血面積，鐵離子水平等）
後，發現腦卒中關鍵指標都有了顯著的改善，這說明對於3月齡tau基因敲除小鼠來說，tau蛋白的缺失的確能夠緩解腦卒中發生後的損傷。隨後研究人員又對比了12個月大的（相當於人50歲的年紀）
正常鼠和tau基因敲除鼠，結果卻發現12個月大的tau基因敲除鼠的腦卒中癥狀並未有所緩解。那麼問題出在哪裡？對比這兩個實驗，我們可以發現唯一的變數就是年齡。12個月大小鼠相當於中老年人，而年齡對於腦卒中來說是一個非常重要的危險因素，也很有可能影響腦卒中的治療。
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圖5 tau蛋白影響腦卒中發生後鐵死亡通路的原理
那麼，對於老年的腦卒中患者，我們能提出怎樣的治療思路呢？除了病理性tau蛋白，更重要的是造成鐵死亡的鐵離子。如果我們能夠抑制鐵死亡這個過程，那麼應該也能緩解腦卒中的損失，特別是對於老年患者。研究人員據此對12個月大的tau基因敲除小鼠和正常小鼠進行了實驗。在對小鼠分別注射鐵死亡抑製劑Liproxstatin-1和Ferrostatin-1後，研究人員驚喜地發現，12個月大的tau基因敲除小鼠的腦卒中損傷又有了明顯的改善。這說明在腦卒中發生後使用鐵死亡抑製劑的確能夠緩解腦卒中的損傷。這個研究解釋了tau蛋白，缺血性腦卒中和鐵離子三者之間的聯繫，揭示了tau蛋白通過調節鐵離子轉運而在缺血性腦卒中中發揮作用。
tau蛋白、缺血性腦卒中和SynGAP1蛋白
幾乎是同一時間，來自新南威爾士大學的Ittner教授在Nature Communications在線發表論文，這篇文章從蛋白質的角度解釋了tau蛋白和缺血性腦卒中之間的關係。在上篇文章中我們知道3月齡的tau敲除小鼠的腦卒中癥狀有明顯緩解，但是我們並不知道敲除tau蛋白為什麼會起到這樣的功效。
那麼，該如何進行研究呢？首先我們知道敲除tau蛋白後有著治療作用，那麼可能是tau蛋白在腦卒中發生後起著直接的毒性作用，也有可能是間接的毒性作用；然後根據之前的研究，可以基本排除tau蛋白具有直接的毒性作用，聯繫體內蛋白具有的相互作用關係，也許可以假設tau蛋白通過抑制某一個蛋白的作用來加重腦卒中的損傷。基於這個設想，研究人員同樣利用tau基因敲除小鼠和正常小鼠的腦卒中模型進行實驗，令人興奮的是，他們發現了一個名為SynGAP1的蛋白起著重要的作用。
下圖顯示了腦卒中發生後的病理過程。我們知道神經元和神經元之間通過突觸
（Synapse）
來傳遞信息，而神經遞質（neurotransmitter）
在突觸傳遞中是擔當「信使」的特定化學物質，下圖的Glut即谷氨酸就是神經遞質的一種。在發生腦卒中後，Glut由於細胞內電位的變化而向細胞外擴散。神經遞質的擴散需要細胞膜上受體的協助，即下圖NMDAR（N-甲基-D-天門冬氨酸受體）
，在擴散到細胞外後，聚集的Glut會引起鈣離子的增加。那麼鈣離子起著什麼作用呢？鈣離子能夠幫助GTP激活Ras蛋白而引發一系列的下游反應而造成大腦損傷。我們可以看到tau蛋白在這其中並未起著毒性作用。再看右圖，在tau基因敲除後，前面的過程是一樣的，但是當鈣離子和GTP將要發生作用時，之間與tau蛋白相連的SynGAP1通過水解GTP從而阻止Ras激活，這樣，下游的一系列毒性反應也不會發生了。這說明了SynGAP1在腦卒中發生後是有著保護作用的，但是tau蛋白抑制了這種保護作用。
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圖6 tau蛋白影響腦卒中發生後SynGAP1蛋白保護作用的原理
上面的兩個研究是分別從離子和蛋白的角度揭示了tau蛋白在腦卒中引起的神經細胞損傷中起到的作用。看似關係不大，但其實兩篇文章的結果是相互補充的。首先兩篇文章選用的是不同品系的tau基因敲除小鼠，而且都證明了tau基因敲除後能夠緩解腦卒中損傷；其次，兩篇文章對小鼠模型的腦缺血時間不同，這可以模擬病人在發病到送到醫院所經歷的時間；最後，目前已經有學者證明第一篇中的鐵死亡通路和第二篇中的谷氨酸毒性通路有著類似的機制，它們的發生都是依賴鐵離子和Ras蛋白。谷氨酸的氧化毒性可能與未知的某些死亡類型部分同時發生，這種死亡類型可能就是鐵死亡，並且鐵死亡是細胞發生谷氨酸氧化毒性的結果。
大約10年前，腦卒中的藥物開發是一個非常熱門的領域，但由於大多數治療性卒中試驗失敗導致研究陷入低谷。以上兩個研究是對腦卒中這種分子水平上尚不甚了解的疾病的新見解，我們需要這些新的見解來向徹底治癒腦卒中的道路上邁進。
參考文獻
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5.Bi M, et al. Tau exacerbates excitotoxic brain damage in an animal model of stroke. Nat Commun. 2017 Sep 7;8(1):473.
製版編輯： 艾略特
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