過度磷酸化的微管結合Tau蛋白是阿爾茨海默病患者神經元內神經原纖維纏結的主要成分，但適度磷酸化的Tau蛋白又是參與微管組裝和維持微管穩定的重要骨架蛋白。近年來，Tau蛋白對線粒體的轉運、分布和形態及功能的影響受到廣泛研究。現對上述研究進展作一綜述。
引用本文： 李夏春. Tau蛋白對阿爾茨海默病線粒體形態分布及功能的影響機制的研究進展. 華西醫學, 2014, 29(8): 1583-1585. doi: 10.7507/1002-0179.20140484 復制
線粒體是神經元內的能量工廠，它影響神經細胞內遞質轉運和信號轉導。因此線粒體的形態、分布和功能正常對神經元維持正常生理功能具有重要意義。相反，其形態和功能的損傷與神經退行性疾病的發生有密切關系。
阿爾茨海默病（AD）的主要病理變化是神經元內的纖維纏結（NFT）和神經元外的老年斑（SP）。早期研究報道，不但線粒體功能障礙和低代謝參與家族性和散發性AD的發生，而且，線粒體DNA損傷也與AD的發病率升高有關[1]。近期，對AD患者和同齡正常人群的線粒體形狀的量化分析，也發現AD患者異常線粒體比例顯著高于同齡正常人群，且其線粒體的大小和數目均發生改變[2]。過度磷酸化的Tau蛋白是NFT的主要成分。生理情況下，正常成人的可溶性Tau分子含有2～3個磷酸，主要位于神經元的軸突調節微管的穩定性。近年來，研究發現在非神經細胞Tau蛋白可結合在DNA雙鏈的小溝內防止DNA發生過氧化損傷[3]。Tau蛋白磷酸化是其主要轉錄后修飾，其磷酸化程度調節其結合微管和促進管蛋白組裝的能力。除磷酸化修飾，Tau蛋白也發生截斷修飾。Tau蛋白水平及其磷酸化修飾或截斷修飾對線粒體的形態、分布和功能的影響及其在AD中作用受到廣泛研究，本文就這些研究進行綜述。
1 Tau蛋白對AD患者線粒體形態和分布及分裂融合動態的影響
縱觀Tau蛋白對線粒體形態分布及分裂融合動態的研究，主要有3種觀點：第1種主流的Аβ學說認為，過度磷酸化的Tau蛋白主要導致線粒體過度分裂及碎裂，其根據是免疫共沉淀實驗結果顯示AD患者腦內以及APPSWE/PS1M146V/TauP301L三轉基因鼠腦內磷酸化Tau（AT8）和動力蛋白樣蛋白（DLP1）有相互作用，并且AD患者DLP1的三磷酸鳥酐（GTP）酶活性升高[4]。然而，該學說有2個問題不能解釋：① 如果DLP1是磷酸化Tau引起線粒體碎裂的關鍵蛋白，那么敲除DLP1的小鼠線粒體功能和GTP酶應該異常，而該組最近的研究發現異源雜合敲除DLP1鼠與野生鼠相比，在突觸、樹突的DLP1并無顯著差異，且線粒體功能和GTP酶活性也正常，這說明DLP1部分敲除不影響線粒體動態和功能[5]；② 按照其理論，磷酸化Tau引起線粒體碎裂和凋亡，那么AD患者神經元內Аβ引起的氧化應激和磷酸化Tau蛋白顯著增加應導致廣泛的神經元凋亡，然而，許多AD患者的尸檢病理研究發現AD患者腦內并無大量神經元凋亡[6]。第2種觀點認為Tau蛋白過度表達或磷酸化引起線粒體過度延長和神經元退變。其依據是在果蠅和小鼠過度表達301位脯氨酸突變成亮氨酸的人Tau蛋白（hTauP301L）引起線粒體過度延長，而Tau蛋白主要是通過肌動蛋白的過度穩定導致DLP1轉位至線粒體障礙引起線粒體過度延長和神經元退變[7]；但有人發現在人骨髓神經母細胞瘤細胞株（SHSY5Y）過表達野生型Tau蛋白對線粒體功能和分裂融合動態具保護作用，而過表達突變的hTauP301L則線粒體融合分裂速率減慢并伴有視神經萎縮1（OPA1）和DLP1表達降低，且線粒體呼吸鏈復合體Ⅰ（ComplexⅠ）損傷和三磷酸腺酐（ATP）水平降低[8]。第3種觀點認為：可溶性Tau蛋白增加主要引起線粒體分布障礙，而對線粒體形態無顯著影響。其依據是可逆性轉hTauP301L小鼠腦內含有抗Alz50 IgM抗體（Alz50）陽性聚集體的神經元細胞體和突起部位，隨著年齡增加出現線粒體進行性分布異常，而其形態未見異常。抑制可溶性hTauP301L表達，盡管hTauP301L聚集體持續存在，卻可逆轉hTauP301L引起的線粒體分布異常；在AD患者組織的抗Alz50 IgM抗體陽性神經元內也可見相似的線粒體分布[9]。
2 Tau蛋白在AD中對線粒體轉運的影響
Tau蛋白也可通過影響線粒體轉運調節線粒體分裂融合速率及分布。最近的研究顯示，在神經元過表達野生型Tau蛋白降低線粒體移動性和接觸率，使線粒體融合速率減慢和線粒體變短，而過表達野生型Tau蛋白同時過表達線粒體Rho GTP酶1（Miro-1）改善線粒體的移動性、接觸速率和融合速率，挽救線粒體形態[10]。線粒體的正向運輸主要由驅動蛋白進行，其逆向運輸主要由動力蛋白進行。人類Tau蛋白有6種異構體，體外實驗證實4R Tau（有4個微管結合區重復序列和N端的兩個酸性插入序列） 和3R Tau （有3個微管結合區重復序列而不含N端酸性插入序列）都可在Tau濃度升高到抑制動力蛋白的濃度的1/10時，即抑制驅動蛋白使正向運輸停止，但Tau濃度繼續升高形成聚集的Tau斑片時，動力蛋白遇之則改變轉運方向，即從逆向運輸改為正向運輸[11]。然而體內實驗則發現盡管3R Tau和4R Tau均改變線粒體在細胞體的正常分布而使其分布在軸突減少，但4R Tau引起線粒體異常分布的效應似乎更強[12]。最近也有研究者用單分子成像技術證明Tau蛋白以異構體依賴方式抑制驅動蛋白前行長度，GTP-微管構象與GDP-微管構象相比，驅動蛋白前行長度縮短，且4R Tau的存在使驅動蛋白速度增強，而3R Tau的存在不影響其速度[13]。Tau蛋白的多個位點可被多種激酶磷酸化，Tau蛋白磷酸化對線粒體運輸的影響也受到廣泛研究。早期研究發現在腎上腺嗜鉻細胞瘤（PC 12）細胞適當提高Tau磷酸化水平，不影響Tau結合微管的能力，還促進線粒體的正向運輸，而降低Tau磷酸化水平引起線粒體聚集在核周圍[14]。單克隆抗體AT8識別的絲氨酸202（Ser202）、蘇氨酸205（Thr205）位點磷酸化Tau的含量在AD中顯著升高。上述位點的磷酸化狀態對線粒體轉運的影響如何呢？最近研究發現Ser199、Ser202位點含絲氨酸和Thr205位點含蘇氨酸的野生型Tau或突變成不能磷酸化的丙氨酸或磷酸化的天門冬氨酸的Tau蛋白的過度表達均抑制PC12細胞突起或鼠皮層神經元軸突內的線粒體轉運，磷酸化突變則對線粒體轉運發揮最大的效應，這可能與肌動蛋白絲破壞引起膜張力降低時，Tau蛋白的這些位點突變使微管之間的空間擴大有關。這提示AT8位點磷酸化可調節微管間隙而影響線粒體轉運[15]。Tau蛋白N-末端18 位酪氨酸（Tyr18）發生磷酸化也可去除Tau蛋白抑制順向軸突快速轉運的作用[16]。這些研究提示Tau的N-末端的氨基酸殘基由于位于微管結合區附近，其磷酸化改變可通過改變Tau蛋白構象，影響其與微管或線粒體驅動蛋白的結合，從而影響線粒體轉運。
Tau蛋白可能通過磷酸化狀態改變或發生剪切等影響線粒體分裂、融合動態。有文獻報道，表達421 位點的天門冬氨酸截斷的Tau蛋白（T4C3) 可引起永生神經元線粒體碎裂，氧化應激水平升高等，鈣依賴性蛋白磷酸脂酶可能參與了此毒性反應[17]。也有報道AD患者突觸體線粒體內富含N端截斷的相對分子質量約22×103的Tau蛋白片段，且這些截斷的Tau蛋白片段數量與突觸的病理性變化和線粒體功能障礙相關[18]。其具體機制需要進一步研究。
3 Tau蛋白在AD中對線粒體功能的影響
有研究報道在APP/PS2/pR5三轉基因鼠，Aβ和Tau協同損傷線粒體氧化磷酸化系統，Aβ主要影響細胞色素氧化酶的功能，Tau主要影響Complex Ⅰ的功能[19]。也有報道含有N末端26-44氨基酸殘基的Tau片段顯著降低氧化磷酸化，細胞色素氧化酶和腺嘌呤核苷酸轉運體均是其靶底物，然而只有腺嘌呤核苷轉位酶參與該片段引起的氧化磷酸化障礙[20]。最近的研究發現Tau寡聚體損害記憶鞏固，降低突觸囊泡相關蛋白突觸素和神經原特異性蛋白11的水平，另外還降低Complex Ⅰ的水平[21]。最近有報道指出，不同分期的AD患者前皮層組織的電壓依賴性陰離子通道蛋白1水平顯著升高，且其與磷酸化Tau相互結合可能阻斷線粒體通透性轉換孔的形成和線粒體的轉運，也損傷線粒體功能[22]。這些研究提示Tau蛋白或Tau片段均可直接或間接影響線粒體呼吸酶活性或表達水平，使線粒體功能發生障礙。近期有報道發現，失去抗增殖蛋白不僅影響OPA1的穩定性和線粒體超微結構，使海馬神經元線粒體出現核周聚集，也導致海馬Tau蛋白過度磷酸化和聚集的絲狀Tau形成，及小鼠行為學損傷和認知障礙[23]。因此，Tau引起線粒體損傷，而線粒體損傷可能引起或加重神經元退變。
4 展望
近幾年Tau蛋白對線粒體分裂融合動態和轉運及功能影響的研究雖多，但Tau對線粒體分裂融合動態的研究結論尚存爭議，這可能與不同研究組采用的研究方法不同有關。現有的研究多采用蛋白水平改變間接證實，缺乏動態研究證實Tau蛋白對線粒體分裂融合動態的影響。最近，有研究發現大鼠皮層神經元的膜性成分中含相當多的Ser199/Ser202（被Tau-1抗體識別）、Ser199/Ser202/Thr205、Ser396/Ser404非磷酸化Tau，上述位點突變成谷氨酸模擬磷酸化可阻斷Tau蛋白定位于膜上，然而在缺乏酪氨酸激酶（Fyn）的神經元內抑制CK1也誘導Tau蛋白去磷酸化但并不影響其結合膜，這說明Tau蛋白的N-端是質膜結合區，Tyr18位點和Ser199、Ser202、Thr205位點磷酸化狀態可能影響Tau在細胞質和細胞質膜的轉運[24]。而Tau蛋白的上述位點的磷酸化狀態是否影響其在線粒體膜和細胞質的轉運，尚無研究。因此未來研究有待解決以下幾個問題：① Tau蛋白正常是否在神經元線粒體有分布；② Tau蛋白N端的哪些位點的磷酸化狀態直接影響其在線粒體膜的分布或線粒體轉運分裂融合動態。隨著Tau蛋白對線粒體的影響及其在AD發病機制中的作用的深入研究，我們相信其必然為AD的發病機制的揭示帶來突破。
線粒體是神經元內的能量工廠，它影響神經細胞內遞質轉運和信號轉導。因此線粒體的形態、分布和功能正常對神經元維持正常生理功能具有重要意義。相反，其形態和功能的損傷與神經退行性疾病的發生有密切關系。
阿爾茨海默病（AD）的主要病理變化是神經元內的纖維纏結（NFT）和神經元外的老年斑（SP）。早期研究報道，不但線粒體功能障礙和低代謝參與家族性和散發性AD的發生，而且，線粒體DNA損傷也與AD的發病率升高有關[1]。近期，對AD患者和同齡正常人群的線粒體形狀的量化分析，也發現AD患者異常線粒體比例顯著高于同齡正常人群，且其線粒體的大小和數目均發生改變[2]。過度磷酸化的Tau蛋白是NFT的主要成分。生理情況下，正常成人的可溶性Tau分子含有2～3個磷酸，主要位于神經元的軸突調節微管的穩定性。近年來，研究發現在非神經細胞Tau蛋白可結合在DNA雙鏈的小溝內防止DNA發生過氧化損傷[3]。Tau蛋白磷酸化是其主要轉錄后修飾，其磷酸化程度調節其結合微管和促進管蛋白組裝的能力。除磷酸化修飾，Tau蛋白也發生截斷修飾。Tau蛋白水平及其磷酸化修飾或截斷修飾對線粒體的形態、分布和功能的影響及其在AD中作用受到廣泛研究，本文就這些研究進行綜述。
1 Tau蛋白對AD患者線粒體形態和分布及分裂融合動態的影響
縱觀Tau蛋白對線粒體形態分布及分裂融合動態的研究，主要有3種觀點：第1種主流的Аβ學說認為，過度磷酸化的Tau蛋白主要導致線粒體過度分裂及碎裂，其根據是免疫共沉淀實驗結果顯示AD患者腦內以及APPSWE/PS1M146V/TauP301L三轉基因鼠腦內磷酸化Tau（AT8）和動力蛋白樣蛋白（DLP1）有相互作用，并且AD患者DLP1的三磷酸鳥酐（GTP）酶活性升高[4]。然而，該學說有2個問題不能解釋：① 如果DLP1是磷酸化Tau引起線粒體碎裂的關鍵蛋白，那么敲除DLP1的小鼠線粒體功能和GTP酶應該異常，而該組最近的研究發現異源雜合敲除DLP1鼠與野生鼠相比，在突觸、樹突的DLP1并無顯著差異，且線粒體功能和GTP酶活性也正常，這說明DLP1部分敲除不影響線粒體動態和功能[5]；② 按照其理論，磷酸化Tau引起線粒體碎裂和凋亡，那么AD患者神經元內Аβ引起的氧化應激和磷酸化Tau蛋白顯著增加應導致廣泛的神經元凋亡，然而，許多AD患者的尸檢病理研究發現AD患者腦內并無大量神經元凋亡[6]。第2種觀點認為Tau蛋白過度表達或磷酸化引起線粒體過度延長和神經元退變。其依據是在果蠅和小鼠過度表達301位脯氨酸突變成亮氨酸的人Tau蛋白（hTauP301L）引起線粒體過度延長，而Tau蛋白主要是通過肌動蛋白的過度穩定導致DLP1轉位至線粒體障礙引起線粒體過度延長和神經元退變[7]；但有人發現在人骨髓神經母細胞瘤細胞株（SHSY5Y）過表達野生型Tau蛋白對線粒體功能和分裂融合動態具保護作用，而過表達突變的hTauP301L則線粒體融合分裂速率減慢并伴有視神經萎縮1（OPA1）和DLP1表達降低，且線粒體呼吸鏈復合體Ⅰ（ComplexⅠ）損傷和三磷酸腺酐（ATP）水平降低[8]。第3種觀點認為：可溶性Tau蛋白增加主要引起線粒體分布障礙，而對線粒體形態無顯著影響。其依據是可逆性轉hTauP301L小鼠腦內含有抗Alz50 IgM抗體（Alz50）陽性聚集體的神經元細胞體和突起部位，隨著年齡增加出現線粒體進行性分布異常，而其形態未見異常。抑制可溶性hTauP301L表達，盡管hTauP301L聚集體持續存在，卻可逆轉hTauP301L引起的線粒體分布異常；在AD患者組織的抗Alz50 IgM抗體陽性神經元內也可見相似的線粒體分布[9]。
2 Tau蛋白在AD中對線粒體轉運的影響
Tau蛋白也可通過影響線粒體轉運調節線粒體分裂融合速率及分布。最近的研究顯示，在神經元過表達野生型Tau蛋白降低線粒體移動性和接觸率，使線粒體融合速率減慢和線粒體變短，而過表達野生型Tau蛋白同時過表達線粒體Rho GTP酶1（Miro-1）改善線粒體的移動性、接觸速率和融合速率，挽救線粒體形態[10]。線粒體的正向運輸主要由驅動蛋白進行，其逆向運輸主要由動力蛋白進行。人類Tau蛋白有6種異構體，體外實驗證實4R Tau（有4個微管結合區重復序列和N端的兩個酸性插入序列） 和3R Tau （有3個微管結合區重復序列而不含N端酸性插入序列）都可在Tau濃度升高到抑制動力蛋白的濃度的1/10時，即抑制驅動蛋白使正向運輸停止，但Tau濃度繼續升高形成聚集的Tau斑片時，動力蛋白遇之則改變轉運方向，即從逆向運輸改為正向運輸[11]。然而體內實驗則發現盡管3R Tau和4R Tau均改變線粒體在細胞體的正常分布而使其分布在軸突減少，但4R Tau引起線粒體異常分布的效應似乎更強[12]。最近也有研究者用單分子成像技術證明Tau蛋白以異構體依賴方式抑制驅動蛋白前行長度，GTP-微管構象與GDP-微管構象相比，驅動蛋白前行長度縮短，且4R Tau的存在使驅動蛋白速度增強，而3R Tau的存在不影響其速度[13]。Tau蛋白的多個位點可被多種激酶磷酸化，Tau蛋白磷酸化對線粒體運輸的影響也受到廣泛研究。早期研究發現在腎上腺嗜鉻細胞瘤（PC 12）細胞適當提高Tau磷酸化水平，不影響Tau結合微管的能力，還促進線粒體的正向運輸，而降低Tau磷酸化水平引起線粒體聚集在核周圍[14]。單克隆抗體AT8識別的絲氨酸202（Ser202）、蘇氨酸205（Thr205）位點磷酸化Tau的含量在AD中顯著升高。上述位點的磷酸化狀態對線粒體轉運的影響如何呢？最近研究發現Ser199、Ser202位點含絲氨酸和Thr205位點含蘇氨酸的野生型Tau或突變成不能磷酸化的丙氨酸或磷酸化的天門冬氨酸的Tau蛋白的過度表達均抑制PC12細胞突起或鼠皮層神經元軸突內的線粒體轉運，磷酸化突變則對線粒體轉運發揮最大的效應，這可能與肌動蛋白絲破壞引起膜張力降低時，Tau蛋白的這些位點突變使微管之間的空間擴大有關。這提示AT8位點磷酸化可調節微管間隙而影響線粒體轉運[15]。Tau蛋白N-末端18 位酪氨酸（Tyr18）發生磷酸化也可去除Tau蛋白抑制順向軸突快速轉運的作用[16]。這些研究提示Tau的N-末端的氨基酸殘基由于位于微管結合區附近，其磷酸化改變可通過改變Tau蛋白構象，影響其與微管或線粒體驅動蛋白的結合，從而影響線粒體轉運。
Tau蛋白可能通過磷酸化狀態改變或發生剪切等影響線粒體分裂、融合動態。有文獻報道，表達421 位點的天門冬氨酸截斷的Tau蛋白（T4C3) 可引起永生神經元線粒體碎裂，氧化應激水平升高等，鈣依賴性蛋白磷酸脂酶可能參與了此毒性反應[17]。也有報道AD患者突觸體線粒體內富含N端截斷的相對分子質量約22×103的Tau蛋白片段，且這些截斷的Tau蛋白片段數量與突觸的病理性變化和線粒體功能障礙相關[18]。其具體機制需要進一步研究。
3 Tau蛋白在AD中對線粒體功能的影響
有研究報道在APP/PS2/pR5三轉基因鼠，Aβ和Tau協同損傷線粒體氧化磷酸化系統，Aβ主要影響細胞色素氧化酶的功能，Tau主要影響Complex Ⅰ的功能[19]。也有報道含有N末端26-44氨基酸殘基的Tau片段顯著降低氧化磷酸化，細胞色素氧化酶和腺嘌呤核苷酸轉運體均是其靶底物，然而只有腺嘌呤核苷轉位酶參與該片段引起的氧化磷酸化障礙[20]。最近的研究發現Tau寡聚體損害記憶鞏固，降低突觸囊泡相關蛋白突觸素和神經原特異性蛋白11的水平，另外還降低Complex Ⅰ的水平[21]。最近有報道指出，不同分期的AD患者前皮層組織的電壓依賴性陰離子通道蛋白1水平顯著升高，且其與磷酸化Tau相互結合可能阻斷線粒體通透性轉換孔的形成和線粒體的轉運，也損傷線粒體功能[22]。這些研究提示Tau蛋白或Tau片段均可直接或間接影響線粒體呼吸酶活性或表達水平，使線粒體功能發生障礙。近期有報道發現，失去抗增殖蛋白不僅影響OPA1的穩定性和線粒體超微結構，使海馬神經元線粒體出現核周聚集，也導致海馬Tau蛋白過度磷酸化和聚集的絲狀Tau形成，及小鼠行為學損傷和認知障礙[23]。因此，Tau引起線粒體損傷，而線粒體損傷可能引起或加重神經元退變。
4 展望
近幾年Tau蛋白對線粒體分裂融合動態和轉運及功能影響的研究雖多，但Tau對線粒體分裂融合動態的研究結論尚存爭議，這可能與不同研究組采用的研究方法不同有關。現有的研究多采用蛋白水平改變間接證實，缺乏動態研究證實Tau蛋白對線粒體分裂融合動態的影響。最近，有研究發現大鼠皮層神經元的膜性成分中含相當多的Ser199/Ser202（被Tau-1抗體識別）、Ser199/Ser202/Thr205、Ser396/Ser404非磷酸化Tau，上述位點突變成谷氨酸模擬磷酸化可阻斷Tau蛋白定位于膜上，然而在缺乏酪氨酸激酶（Fyn）的神經元內抑制CK1也誘導Tau蛋白去磷酸化但并不影響其結合膜，這說明Tau蛋白的N-端是質膜結合區，Tyr18位點和Ser199、Ser202、Thr205位點磷酸化狀態可能影響Tau在細胞質和細胞質膜的轉運[24]。而Tau蛋白的上述位點的磷酸化狀態是否影響其在線粒體膜和細胞質的轉運，尚無研究。因此未來研究有待解決以下幾個問題：① Tau蛋白正常是否在神經元線粒體有分布；② Tau蛋白N端的哪些位點的磷酸化狀態直接影響其在線粒體膜的分布或線粒體轉運分裂融合動態。隨著Tau蛋白對線粒體的影響及其在AD發病機制中的作用的深入研究，我們相信其必然為AD的發病機制的揭示帶來突破。