《Protein Science》：Biophysical assessment of the molecular mechanisms of Tau aggregation and its role in Alzheimer's disease
阿尔茨海默病（AD）的特征是微管相关蛋白Tau的细胞内聚集。尽管大型、不溶性神经纤维缠结（NFTs）长期以来是该领域研究的主要焦点，但该领域现已发生范式转变，强调更小的、可溶性寡聚体是导致神经元死亡和认知能力下降的主要神经毒性Tau物种。这留下了一个重要且尚未完全理解的问题：哪些分子事件导致了健康的、功能性的Tau向这些毒性寡聚体的转化。本综述通过探讨有关导致神经退行性变起始的上游机制及其与疾病发病机制联系的现有文献，填补了这一知识空白。通过综合来自分子生物物理学、细胞生物学和神经病理学的证据，本综述总结了导致病理性Tau聚集的最新认知因素，包括翻译后修饰（PTMs）、脂质和金属离子等。本综述还讨论了神经毒性Tau聚集体如何导致AD的发作。通过将这些因素与哺乳动物大脑研究的发现相联系，本综述建立了一个全面的病理时间线，揭示了从生理性Tau到毒性寡聚体的转变过程，并将特定的分子触发因素与神经退行性变的起始联系起来。
**引言**
阿尔茨海默病（AD）是导致痴呆的主要原因，痴呆是一类影响全球约5000万人的疾病，预计到2030年将增加到7500万，到2050年将超过1亿。其经济负担估计每年超过1万亿美元，随着诊断数量的增加，这一数字还在上升。AD的双重特征是细胞外β淀粉样蛋白（Aβ）斑块的沉积和细胞内由Tau蛋白组成的神经纤维缠结（NFTs）的形成。虽然Aβ的积累是AD发病机制中的一个关键早期事件，但认知能力下降的严重程度与Tau聚集体的扩散和积累相关性更强，而非Aβ斑块。Aβ和Tau病理并非孤立存在，而是协同作用驱动AD中观察到的突触功能障碍和神经元死亡。尽管两种蛋白都与AD有关，但最近的范式转变将关注点从Aβ转向了Tau，作为治疗干预和理解疾病发病机制的主要靶点。
微管相关蛋白Tau在大脑中的聚集是AD以及其他神经退行性疾病的定义性特征。虽然过去研究主要关注大型NFTs，但越来越多的文献指出，更小的Tau寡聚体才是神经元损伤和认知能力下降的主要元凶。本综述解决了这个重要问题：哪些分子事件导致了健康的、功能性的Tau最初向这些毒性寡聚体转化。清晰理解Tau聚集的最早触发因素对于开发能够在AD早期阶段靶向治疗并减缓或阻止其进展的有效疗法至关重要。本综述的独特之处在于结合了多个视角的证据，从分子生物物理学到细胞生物学和人类神经病理学，以构建一幅更清晰的图景，展示Tau聚集如何开始并进展为其各种神经毒性形式。
两个主要的关注领域是Tau的内在特性和神经元环境的作用。翻译后修饰（PTMs）、亚型之间的差异以及细胞膜组成等因素可以通过影响Tau的聚集和稳定性来调节这一过程。这项研究可以与来自人类大脑样本的证据联系起来，这些样本描绘了神经毒性Tau寡聚体的进展和AD的发作。预期结果是一个全面的叙述，整体描绘Tau病理过程，从而理解上游聚集触发因素最终如何导致神经退行性变和AD。
Tau是一种在微管（细胞骨架的主要组成部分）的组装和稳定性中发挥重要作用的蛋白质。在AD和各种Tau蛋白病的情况下，Tau从微管上脱离并聚集成不溶性纤维，形成NFTs。尽管部分现有文献表明NFTs是神经毒性的主要原因，但这一观点受到了对Tau聚集早期阶段以及随后与可溶性、NFT前形式Tau相关的神经元丢失和认知问题研究的挑战（图1b）。这些Tau寡聚体在AD的早期阶段就被发现，远早于NFTs的形成。
图1 (a) Tau从微管上脱离是蛋白质自组装的第一步。(b) 单体Tau的突然聚集导致寡聚体的形成，这些寡聚体随后传播成原纤维和纤维，并能够引发Tau聚集。
在正常的生理条件下，Tau是可溶的，通常不会自行聚集。体内Tau的聚集并非由单一因素引起，而是受到复杂变量网络的影响。例如，由于选择性基因剪接，大脑中存在几种Tau亚型，这是真核细胞中允许基因转录变异的过程。由于结构各异，这些亚型的聚集方式不同，其稳定性可能受到各种细胞组分（如膜磷脂和胆固醇等）的独特影响。此外，Tau经历多种称为PTMs的化学变化。磷酸化是被广泛研究的一种修饰，也是Tau蛋白病的一个关键特征，但泛素化和截短等变化也起着重要作用。这些修饰相对于Tau寡聚体形成的时间是理解疾病进展的重要目标。本综述将综合分析先前的研究成果，全面概述被认为是导致神经毒性Tau聚集体形成的关键因素。
总而言之，本综述的主要目标是：（i）研究触发Tau聚集的各种因素；（ii）分析大脑中Tau病理进展的全过程，包括早期和晚期聚集体；（iii）建立Tau的病理性聚集、寡聚体形成及其进展为更大的超分子聚集体（包括淀粉样纤维和NFTs）之间的有力理论依据。
**Tau的生理功能和病理性自组装**
Tau是一种主要存在于神经元中，但在某些胶质细胞（如星形胶质细胞和少突胶质细胞）中浓度较低的微管相关蛋白。在其未聚集状态下，Tau通过结合并稳定细胞中的微管来发挥其生理作用，以支持细胞骨架并允许细胞成分的细胞内运输（图2）。
图2 Tau在神经元中多样化的生理作用。最初被描述为微管组装和稳定所必需的蛋白质，现在认识到Tau在多个神经元区室中发挥作用。沿着轴突，Tau参与调节双向运输以及肌动蛋白丝形成。核内的作用包括保护DNA完整性并促进染色质松弛。在神经元膜上，Tau与N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）受体的相互作用调节其信号传导。
在生理条件下，Tau在单体形式下高度可溶，并缺乏明确的二级结构，保持无序状态以发挥其功能的灵活性。结构上，它由四个不同的区域组成：N端投影域、富含脯氨酸区、微管结合域和C端域。在成年人脑中，存在六种不同的Tau亚型。MAPT基因通过选择性剪接产生0N3R、0N4R、1N3R、1N4R、2N3R和2N4R六种亚型，它们根据N端投影域的存在与否以及微管结合域中重复序列的数量而有所不同。这些亚型之间最关键的区别在于它们的微管结合域包含三个重复（3R）还是四个重复（4R）特定结合序列。这些结构差异极大地改变了蛋白质的行为。功能上，4R Tau亚型比3R亚型更能牢固地抓握微管并更有效地稳定细胞骨架。然而，这种额外的抓握能力是以牺牲为代价的。4R亚型中存在的额外重复区段包含一个称为PHF6*基序的特定氨基酸序列。该序列使4R Tau极易折叠成刚性的β-折叠片。因此，4R Tau比3R Tau更快地聚集成有毒的团块。
图3 通过MAPT基因的16个外显子选择性剪接产生的人脑中的六种Tau亚型。外显子2和3编码两种可能的N端插入片段N1和N2（分别显示为橙色和蓝色）。外显子10编码微管结合域中的第二个微管结合重复序列（R2，显示为粉色）。选择性剪接产生六种亚型，它们根据N端插入片段的数量（0N、1N或2N）以及R2的存在与否（分别为四重复[4R]或三重复[3R]亚型）而变化。
各种生物物理技术已被用于表征不同病理阶段Tau聚集体的结构和形态。原子力显微镜和电子显微镜揭示了这些聚集体的大小和形状，而红外和拉曼光谱则能够探测从无序构象（单体Tau）到富含β-折叠片结构（通常称为原纤维和纤维）的转变。此外，固态核磁共振（NMR）提供了刚性核心内残基的详细图谱，冷冻电子显微镜（Cryo-EM）则揭示了人脑Tau纤维的近原子结构，表明不同的Tau蛋白病由特定的蛋白质折叠和纤维特征所定义。
**聚集触发因子和辅助因子**
Tau从高度可溶、内在无序的单体转变为不溶且结构化的神经毒性聚集体，是一个复杂的生物物理过程，由多种内外部细胞因素共同驱动。在健康的大脑中，Tau受到严格调控以维持其功能状态。然而，在AD和其他神经退行性Tau蛋白病的发病过程中，这种稳态变得失衡。现有文献广泛记录表明，Tau聚集在生理条件下并非自发事件，而是需要特定的生化触发因素。这些触发因素主要包括PTMs、与各种细胞组分的相互作用以及细胞环境的变化等。通过详细研究这些分子触发因素，可以全面理解引发Tau聚集和AD发病机制的精确机制。
*3.1 翻译后修饰*
Tau的功能状态和结构构象主要受各种PTMs的调控，这些修饰是在蛋白质从信使核糖核酸（mRNA）翻译后进行的化学改变。由于Tau缺乏刚性三级结构，其暴露的氨基酸残基极易受到化学改变的影响。虽然生理性PTMs对正常的Tau功能至关重要，但该系统的失调可能成为功能障碍和聚集的触发因素。
*3.1.1 磷酸化*
作为Tau聚集上游触发因素最显著且研究最深入的化学改变是磷酸化。在健康大脑中，Tau蛋白在其结构表面附着有少量受调节的磷酸基团是正常的。这些化学标签对健康的细胞功能至关重要，因为它们充当分子开关，不断向Tau发出信号：去磷酸化时结合微管，磷酸化时释放微管。这是因为微管带负电荷，而去磷酸化的Tau带正电荷，因此磷酸化导致Tau带更多负电荷，从而与微管产生排斥。这种微妙的平衡使神经元保持灵活性，能够有效地沿其轴突分支运输营养物质、线粒体和结构材料。正是当这种系统失衡时，Tau开始聚集。
磷酸化和去磷酸化蛋白质的酶分别称为激酶和磷酸酶，它们作用于Tau内的丝氨酸和苏氨酸残基。在疾病状态下，激酶可能通过添加过多的磷酸基团而打破平衡，或者磷酸酶可能无法以必要的速率去除它们。结果是过度磷酸化，这导致Tau持续与微管脱离，造成积累并使其与其他磷酸化的Tau蛋白聚集。最近，冷冻电子显微镜和先进的成像技术揭示，这些磷酸基团添加的特定序列就像一个模板，可预测地决定Tau聚集体在病理进展过程中最终将采取的三维形状，这为开发药物治疗提供了重要启示。
*3.1.2 乙酰化*
另一种在健康大脑中具有功能作用，但在失调时可能造成伤害的PTMs是乙酰化。乙酰转移酶将大的乙酰基团转移到Tau的赖氨酸残基上。Tau富含赖氨酸，因为它是带正电荷的氨基酸，使其能够结合微管。当过多的这些残基被乙酰化时，会发生三个特定问题。乙酰基团没有净电荷，因此当它们转移到赖氨酸残基上时，中和了正电荷，阻止了Tau结合微管。此外，这鼓励游离的Tau折叠成粘性的、刚性的形状，容易聚集。除了改变蛋白质的物理形状外，乙酰化特别具有破坏性，因为它阻断了泛素的添加，泛素是一种添加到Tau赖氨酸残基上的蛋白质，标记该蛋白以便被蛋白酶体降解，从而将其从细胞中清除以防止聚集和伤害。这导致神经毒性蛋白质的快速积累，进而引发AD病理。这种特定标签的现实后果已在活体模型中被观察到，人工模拟赖氨酸280的乙酰化被证明在果蝇体内加剧了Tau介导的神经毒性。这建立了过度乙酰化、神经退行性变和患者临床观察到的认知缺陷之间的联系。此外，研究表明，在高度特异的“KXGS”基序上的乙酰化充当主开关，很大程度上决定了蛋白质将被安全清除还是发生毒性聚集，突出了这种化学触发因素的精确性、高度局部化的本质。
*3.1.3 氧化*
人脑是一个高度活跃、代谢需求旺盛的器官，仅仅维持基线认知功能就需要大量的氧气和能量。作为这种极高能量需求的生化副产品，大脑不断暴露于有害的氧化应激之下。这最常由功能失调的线粒体引起，随着大脑自然衰老，它们开始将活性氧物种（ROS）泄漏到细胞内环境中。高水平的氧化应激导致Tau重复结构域内半胱氨酸残基的氧化，引起蛋白质内部和蛋白质之间形成二硫键，增加了聚集倾向。Tau蛋白质之间形成的二硫键产生刚性的二聚体，这些二聚体就像有粘性的磁铁，加速了更多游离Tau被募集形成更大的聚集体。这个过程绕过了聚集缓慢、热力学不利的早期阶段，直接驱动了蛋白质快速积累形成神经毒性聚集体。
*3.1.4 硝基化*
前一节引入的氧化应激与另一种破坏性力量——亚硝化应激有关。功能失调的线粒体产生的ROS通常与细胞氮协同作用，形成高破坏性的硝化剂，如过氧亚硝酸盐，它可以修饰酪氨酸残基。这一过程在物理上改变了蛋白质的整体形状并损害其功能。通过永久阻止与微管的正常结合，硝基化导致受损的、结构改变的Tau形成硝基化聚集体，对细胞构成威胁。虽然硝基化导致的某些结构改变最初似乎延迟了Tau的聚合，但其毒性在于它抑制了蛋白质促进微管蛋白组装的能力，从而损害了整体微管功能并杀死神经元。
*3.1.5 糖基化和N-糖基化*
随着大脑衰老，它开始难以维持适当的葡萄糖代谢和能量调节。这种代谢抑制导致有害的糖基化过程，即糖分子永久性地、非酶促地附着到蛋白质内的赖氨酸和精氨酸残基上。虽然糖基化本身不会引发微管脱离和Tau聚集，但它通过在聚集体已经开始纤维化后稳定蛋白质聚集体来增强现有的AD发病机制。一旦Tau开始错误折叠，附着的糖分子在物理上交联蛋白质，在聚集体周围形成一层厚厚的保护层。这种糖衣使得生成的聚集体极其稳定，难以被细胞的回收系统分解和清除。另一种相似但酶促驱动的修饰是N-糖基化，它在蛋白质的天冬酰胺残基上添加大的碳水化合物链。这种修饰已被发现存在于阿尔茨海默病患者的大脑中，体外研究表明，逆转Tau聚集体的糖基化可以使蛋白质恢复其功能。
*3.1.6 多聚胺化*
转谷氨酰胺酶是一种钙依赖性酶，主要功能是作为生物“胶水”。在健康状况下，它促进赖氨酸和谷氨酰胺残基之间形成共价键，以稳定蛋白质结构、协助细胞粘附并支持细胞外基质的完整性。在AD大脑中，发现这种酶的活性随着疾病进展而上调。转谷氨酰胺酶将称为多聚胺的小分子附着到蛋白质上，在错误折叠的Tau之间产生永久性的、不可破坏的共价键。这种交联过程在疾病时间线的早期就将蛋白质锚定在一起，在成熟NFTs完全形成之前将其紧紧锁定在有毒形状中。由于这些共价键异常坚固，且高度抵抗天然细胞回收、酶切和降解，细胞的回收机制难以降解和清除聚集体出细胞。这种化学固化确保了小的、有毒的寡聚体存活足够长时间以生长成永久的NFTs，从而损伤神经元。
*3.1.7 SUMO化*
SUMO蛋白是细胞用来调节健康细胞活动和指示天然无序蛋白质需要被运输到何处的小化学标签。在病理条件下，SUMO化刺激Tau的有害过度磷酸化，向激酶发出信号，在蛋白质上添加破坏性的磷酸基团并迫使其脱离骨架。同时，大的SUMO标签占据了赖氨酸残基（K340）的同一位置，该位点需要进行泛素化才能被细胞降解和回收功能失调的Tau。这阻断了降解，导致有毒的、过度磷酸化的蛋白质在神经元内积累，导致细胞内积聚，这是AD晚期阶段的特征。
*3.1.8 保护性PTMs*
幸运的是，并非所有化学标签本质上都是有害的。复杂的细胞环境也采用防御性修饰来保持Tau健康、功能正常和可溶。这些保护性修饰与有害的PTMs和其他聚集原因进行着持续的、动态的平衡。在AD中，这个保护系统最终不堪重负。
O-GlcNAc糖基化：这种防御机制是一种O-糖基化，涉及将特定的简单糖分子添加到通常容易受到有害过度磷酸化影响的Tau丝氨酸和苏氨酸残基上。通过物理占据这些高度脆弱的位点，O-GlcNAc糖基化主动阻断破坏性磷酸基团的添加，作为天然的保护帽，保持Tau可溶、灵活且功能完全正常，作为对抗AD发病机制的保护机制。具体来说，该修饰已被证明可以大量调节并有效停止XN4R亚型Tau的第四微管结合重复序列的自聚集能力。
甲基化：Tau上天然添加甲基也具有强大的保护作用。赖氨酸甲基化是一种内源性修饰，自然降低Tau自身粘连的能力，显著提高蛋白质自发聚集所需的热力学阈值，从而延迟健康人脑中聚集的开始。甲基化也与发生在赖氨酸残基上的其他有害PTMs（如乙酰化、糖基化、多聚胺化和SUMO化）竞争。因此，维持高水平的健康甲基化被认为是维持长期神经元健康和防止结构崩溃最关键的因素之一。
泛素化：在正常大脑中，泛素化标记功能失调的Tau以进行降解，防止聚集并保持细胞健康。该过程向细胞的蛋白酶体系统发出信号，安全快速地清除老化或受损的Tau，避免其对细胞造成伤害，尽管在AD病理中，当存在大量功能失调和聚集的蛋白质时，该系统常常严重不堪重负。
脯氨酰异构化：这种独特的修饰通过改变Tau的构象来促进有害磷酸基团的去除，从而起到防御机制的作用。该过程由Pin1酶在苏氨酸231（T231）残基处催化，将肽链从顺式构象扭转为反式构象，暴露出先前隐藏的磷酸化位点。通过使这些位点可被磷酸酶接近，该过程驱动Tau的去磷酸化，充当开关，恢复蛋白质结合微管的能力，并防止健康大脑中的聚集。然而，在AD进展过程中，这种保护活性可能会被氧化应激所损害。
将特定的PTMs严格分类为保护性或致病性是一种过度简化，这可能解释了为什么许多旨在靶向保护性PTMs的治疗方法已经失败。最近对人类脑组织进行的全面质谱和冷冻电子显微镜研究阐明了Tau PTMs的复杂性，在疾病过程中识别出超过95种不同的PTMs，它们动态地相互作用并演化。虽然单独评估它们很容易，但Tau PTMs以渐进的、逐步级联的方式发生，高度依赖于AD的阶段。
基于以上总结的发现，我们可以得出结论：PTMs、脂质相互作用、相分离和氧化应激改变了蛋白质自组装的动力学，这是Tau病理性自组装的起始事件。应该注意的是，PTMs是蛋白质聚集的上游触发因素，而不仅仅是聚集的结果。然而，其他过程，包括二次成核，在Tau寡聚体传播为毒性纤维的过程中开始发挥重要作用。
*3.1.9 蛋白水解/截短*
由称为蛋白酶的酶执行的蛋白水解，是将蛋白质截短成较小片段的过程，原因多种多样，例如将蛋白质转化为其活性形式或调节其浓度。在AD中，蛋白酶通过去除Tau的保护性末端来加剧病理状态，暴露出高度粘性、易于聚集的内部核心。这些截短的片段不稳定，并充当强效、高毒性的种子，迅速招募健康的全长Tau错误折叠成不断增长的不溶性聚集体。从人脑中提取的截短Tau片段被发现会中断细胞的回收系统并在体外引起神经元死亡。Gu等人（2020）发现，删除前150或230个氨基酸增强了Tau的位点特异性磷酸化、自聚集以及与从AD脑组织中分离的寡聚体Tau的结合。此外，Zhao等人（2016）表明，Tau的P301L和D314E突变体抵抗caspase-2切割，这防止了Tau和谷氨酸受体的错误定位，恢复了培养神经元中的突触功能，并在rTg4510小鼠的空间参考记忆测试中挽救了认知障碍。
**Tau-脂质相互作用**
除了蛋白质本身的内部化学性质外，细胞的物理环境在触发聚集方面也起着重要作用。细胞的外膜及其内部细胞器由脂质膜组成。当游离的、未结合的Tau与特定的、带负电荷的脂质膜相互作用时，蛋白质的天然结构会发生改变。据推测，膜表面可以通过增加局部Tau浓度并帮助中和通常使蛋白质保持分离并防止聚集的电荷来促进Tau聚集。当这种物理接触中和了Tau的排斥电荷时，它会在物理上迫使通常灵活的重复结构域在结合脂质表面时折叠成刚性的螺旋形状。这种相互作用充当聚集过程的直接催化剂，无需其他化学触发因素，使得生成的蛋白质-脂质复合物极其稳定，并对周围的细胞环境具有高度毒性。
有趣的是，脂质的特定类型很大程度上决定了蛋白质的行为。Ali, Holman等人（2024）和Ali, Matveyenka等人（2024）报告的实验结果表明，Tau的微管结合N端区域改变了这些脂质相互作用，饱和脂肪可以加速聚集并增加毒性，而不饱和脂肪的存在可以抑制聚集并降低毒性。Ali及其同事还发现，胆固醇的存在显著增加了0N4R和1N4R纤维对N27大鼠多巴胺能神经元的细胞毒性，而2N4R则未观察到这种效应。该研究阐明了Tau在细胞中诱导毒性的以下分子途径：首先，Tau聚集体通过内吞作用进入细胞并破裂内体膜，触发ESCRT-III修复复合物（Chmp1）和细胞器（TFEB）的从头生物发生。接下来，Tau聚集体诱导未折叠蛋白反应（UPR），显著上调PERK、ATF6和XBP1。最后，Tau纤维导致严重的线粒体去极化，最终导致细胞死亡。
这些发现表明Tau和其他淀粉样蛋白对大脑的脂质环境多么敏感，并提示脂质表面的特定组成很大程度上影响了疾病的发作。因此，监测这些蛋白质-脂质相互作用并将其用作潜在的生物标志物，为理解AD的潜在机制提供了有价值的视角。
**MAPT基因突变**
虽然绝大多数AD病例被认为是散发性的，不涉及MAPT基因的直接遗传突变，但研究遗传性痴呆形式提供了关于Tau在特定情况下如何聚集的宝贵信息。遗传突变被发现通过两种不同的方式引起Tau聚集。首先，一些突变改变了大脑剪接基因的方式，造成Tau亚型比例失衡，增加了聚集倾向。其次，基因内的突变可导致翻译出功能失调的Tau，这种Tau难以执行其结合和稳定微管的功能，造成细胞损伤并促进聚集。在健康状态下，Tau天然折叠成保护性形状，将其粘性核心隐藏起来。突变干扰了Tau形成这种保护性形状的能力，有利于延伸构象，使蛋白质错误折叠并将其粘性核心暴露于周围环境。这种结构转变降低了聚集的热力学障碍，增加了其发生速率。
**朊蛋白样传播和交叉播种**
现代神经科学的范式转变揭示，错误折叠的Tau行为类似于传染性朊蛋白，一种与之相互作用的错误折叠蛋白会导致健康蛋白也发生错误折叠。Tau病理并非每个脑细胞独立失败，而是在物理上将其有毒的结构失败传播到整个大脑，导致广泛的神经退行性变。称为“种子”的小而高度移动的Tau聚集体从一个细胞释放，并被健康的邻近神经元内吞，种子的特定结构决定了后续聚集的严重程度和模式。一旦进入新细胞，这个侵入性种子充当模板，募集健康细胞的正常功能性Tau并迫使其错误折叠，在成熟NFTs形成很久之前就采用预期的形态。这一事件已在人类AD大脑的突触处直接观察到。为了高效传播，这些种子利用大脑的运输途径绕过细胞防御并侵入健康组织。此外，Aβ斑块的存在加速了这种传播，Aβ斑块是与AD病理相关的另一种蛋白质。这些斑块创造了局部环境，充当催化剂，增强Tau种子的初始募集并促进其聚集成毒性神经炎性斑块。这种过程被称为交叉播种，突显了AD两种主要病理之间的重叠，并提示需要复杂的双重调节策略来成功治疗的统一原因。
**RNA、多阴离子和金属离子**
由于Tau天然带有强正电荷，它自然排斥其他Tau蛋白，使它们保持分离并游离漂浮。然而，大脑中充满了带负电荷的分子，如RNA和糖胺聚糖。当游离的Tau遇到这些多阴离子时，这些分子充当物理支架。例如，RNA结合并中和Tau的正电荷，在3R区域的半胱氨酸残基之间形成二硫键，并允许蛋白质单体快速结合在一起形成AD中观察到的聚集体。这些多阴离子的特定化学特征在很大程度上决定了聚集体形成的速度以及它们所采取的特定构象状态，高度硫酸化的碳水化合物，如硫酸肝素，通过稳定各种与神经退行性相关的蛋白质并抑制其蛋白水解，极大地影响了神经退行性变的进展。
此外，大脑中天然存在的金属（如锌、铁和铜）的不平衡会导致与Tau的过量结合。这已被证明会增加ROS水平，有力证明了金属介导的Tau聚集。这种结合被发现会改变蛋白质的物理形状，并与其他应激因素（如过度磷酸化）协同作用，促进快速聚集以及与α-突触核蛋白（一种通常与帕金森病等神经退行性疾病相关的蛋白质）的共聚集。这些金属-蛋白质相互作用在疾病级联中发挥着深远作用，驱动了Aβ和Tau的病理性聚集。
**分子拥挤、液-液相分离和疏水相互作用**
细胞内部是一个拥挤的环境，紧密地充满了蛋白质、脂肪和水等组分。在细胞应激或极端蛋白质拥挤条件下，高浓度的单体Tau可以经历称为液-液相分离（LLPS）的生物物理现象。在LLPS中，Tau蛋白质达到临界浓度，自发地从其余流体中“去混合”，自然地积累在细胞液内形成致密的液滴。这种相分离创造了一个高度拥挤的环境，蛋白质之间的距离如此之近，以至于开始错误折叠所需的能量降低，从而可能引发病理性Tau聚集。在局部疏水相互作用的驱动下，这些液滴最终失去其自然流动性，硬化成固态的、有毒的凝胶。这些凝胶不可避免地成为与神经退行性疾病相关的NFTs的刚性种子。
**环境pH和等电点偏移**
Tau的电荷和结构稳定性很大程度上取决于其周围细胞环境的pH值。最常见的亚型0N4R在生理pH下是阳离子，具有约9.5的高等电点。由于其净电荷随周围环境而波动，细微的pH变化充当可以触发聚集的调节机制。具体来说，位于微管结合重复序列C末端附近的组氨酸残基充当蛋白质的直接pH传感器。当pH <7.5时，这些组氨酸残基保持正电荷并结合微管，但当pH升高到更碱性（>7.5）时，它们会去质子化。这种去质子化降低了Tau的结合亲和力，导致蛋白质从细胞骨架脱离并在细胞质中聚集。向更酸性环境的偏移极大地改变了这种未结合Tau的物理形态。在实验室环境中，将稳定的Tau-磷脂复合物暴露于略酸性的pH（6.0-6.5）提供了必要的触发因素，将其快速转化为具有聚集倾向的β-折叠片结构的长而有序的纤维。这些依赖于pH的转变决定了蛋白质的溶解度，表明pH的波动，无论是驱动脱离的碱性偏移还是加速纤维化的酸性偏移，都充当了神经退行性变的环境催化剂。
**聚集结构和形态**
Tau从健康的、高度可溶的蛋白质转变为聚集的、不溶性缠结是一个复杂的、多步骤的过程，显著涉及溶解度和二级结构的变化。
*10.1 单体*
在健康状态下，Tau主要以内在无序的单体蛋白质形式存在。它在细胞内溶液中表现为灵活的无规卷曲，缺乏刚性、定义明确的二级结构（图4）。然而，微管结合重复结构域具有瞬时的、低倾向的β-折叠片特征，并且蛋白质在结合脂质界面时可短暂获得α-螺旋结构。
图4 观察到的Tau聚集过程中二级结构的转变示意图。
*10.2 寡聚体*
从微管上大量脱离后，细胞内单体Tau浓度的增加开始了一个渐进的自组装过程，导致寡聚体的形成，其中Tau分子交联形成结构模板，促进进一步的延伸（图1b）。这种物理转变迫使天然蛋白质将其无规卷曲结构重排为更具反应性的反平行β-折叠片构象（图4）。
*10.3 纤维*
随着聚集过程推进到晚期，这些寡聚体中间体经历结构转换，堆叠并延伸成原纤维，最终成为成熟的纤维。在此成熟过程中，蛋白质从其早期的反平行β-折叠片构象转变为高度稳定的、以平行β-折叠片为主的结构。在这些大型NFTs内，二级结构完全由这种刚性的β-折叠片特征主导，将先前柔性的蛋白质永久地困在刚性团块中，难以从细胞中清除。
**毒性、神经退行性和治疗**
AD的进展与Tau聚集过程中毒性的转变有关。历史上，研究人员坚信大型、高度不溶性、显微镜下可见的NFTs是AD中杀死脑细胞的主要Tau物种。然而，现代科学共识已经转变，揭示Tau物种的溶解度和大小决定了其毒性。单体Tau在其健康的、高度可溶的、天然无序状态下，通常被认为无毒，对大脑不同区域的正常细胞功能至关重要。然而，当这些单体从微管脱离并聚集成称为寡聚体的高度可溶的中间物种时，它们获得了高度的神经毒性特性。颗粒状Tau寡聚体，作为大脑衰老和AD病理的早期迹象，由于其可溶性和暴露的β-折叠片，表现出高度的细胞移动性和毒性。这些中间结构现在被普遍认为是驱动AD发作的主要神经毒性物种（图5c）。
图5 (a) MTS检测显示的Tau寡聚体毒性。Tau寡聚体在终浓度为1 μM时对SH-SY5Y细胞有毒，而Tau单体和纤维的毒性显著降低。(b) 在无肝素、无脂质环境中形成的1N4R（左）和2N4R Tau（右）聚集体的乳酸脱氢酶检测直方图显示的细胞毒性。(c) Tau不同聚集状态的相对细胞毒性水平。
相反，关于成熟、完全不溶性纤维的毒性有不同的报道，Lasagna-Reeves等人（2010）发现它们无毒，而Ali等人（2025）发现它们相对于单体更具毒性。它们甚至可能在濒死神经元试图安全地将高毒性寡聚体转化为惰性纤维时充当保护性细胞机制，这矛盾地突显了中间而非成熟Tau聚集体在神经退行性变中的主导作用。这些中间聚集体的毒性解释了在各种Tau蛋白病中普遍观察到的认知缺陷。
可溶性寡聚体杀死神经元的确切机制复杂而具有破坏性，同时破坏了从基因组稳定性和能量产生到细胞骨架完整性和蛋白质降解等一系列广泛的细胞过程。由于其体积小，这些寡聚体很容易沿着细胞的轴突分支传播并侵入突触，成为神经元之间通讯点的主要毒性物种。在突触处，这些寡聚体物种破坏记忆巩固和学习所需的化学信号，在成熟NFTs形成很久之前就极大地决定了神经退行性过程。这种突触中断触发了功能的大规模丧失，其中Tau未能稳定细胞骨架，同时有毒聚集体限制了轴突运输系统，使突触缺乏至关重要的营养物质。此外，这些聚集体可以直接嵌入细胞及其线粒体的脂质膜中。通过这样做，它们改变了膜的离子电导性，并触发电压门控钙通道和NADPH氧化酶的激活。这些变化通过引起钙离子流入和引发ROS增加来损害细胞的完整性，其中线粒体氧化应激进一步促进了更多Tau的病理性聚集，形成致命的正反馈循环。最终，这个级联完全关闭了细胞能量产生并杀死神经元，直接导致AD中观察到的神经退行性变。
随着大脑精密且高度连接的记忆网络被这些毒性物种逐步瓦解，大脑的整体结构在物理上萎缩。这种广泛的错误折叠，通常被Aβ的存在协同加剧，直接转化为定义AD临床诊断的认知能力下降、记忆力减退和人格退化。具体来说，这些临床症状的进展反映了Tau病理在大脑一些最脆弱区域的扩散。在早期AD中，Tau驱动的神经退行性变主要发生在内嗅皮层和海马体，这些区域对学习和记忆巩固至关重要，这在临床上表现为深刻、进行性的情景记忆障碍。随着疾病进展，神经毒性Tau的传播侵入新皮层，破坏负责高阶认知功能的神经回路。这种结构崩溃与认知能力的丧失直接相关，驱动了晚期AD中观察到的执行功能障碍、语言障碍和行为退化。
在经历了几次以Aβ为重点的治疗失败，并认识到Tau在驱动AD中观察到的大脑物理和认知破坏的核心作用之后，一些现代临床发展专注于高度特异的、基于Tau的治疗方法。研究人员正在分析AD中的Tau时间线，以设计旨在防止聚集和加速聚集体清除的治疗策略。一种前沿策略涉及设计定制的Tau聚集抑制肽，这些肽是精心设计的非天然分子，旨在直接结合错误折叠蛋白质暴露的、粘性的核心。通过像化学帽一样作用，这些肽完全冻结了毒性纤维的生长，并提供了巨大的治疗潜力。
其他临床工作也在积极测试抑制蛋白质初始过度磷酸化的特定激酶的小分子药物，旨在Tau从未脱离微管之前就停止主要的聚集触发因素。这包括利用锂等药物来抑制糖原合酶激酶-3，这种方法在体内小鼠中与显著减少神经退行性变相关。认识到乙酰化在Tau介导的神经退行性变中的作用，临床试验正在积极测试像水杨酸钠这样重新利用的药物来在体内逆转这种特定的化学标签，在小鼠中显示出记忆力恢复并阻止了海马萎缩。其他药理学试剂，如组蛋白去乙酰化酶6抑制剂MPT0G211，已被证明能成功抑制过度磷酸化并逆转人类和小鼠细胞系中的异常乙酰化，并逆转小鼠的记忆障碍。
除了靶向特定的化学修饰和聚集动力学外，研究人员正在探索清除细胞外空间病理性Tau、降低总体蛋白质表达以及修复受损细胞结构的策略。例如，免疫疗法目前是临床试验的主要焦点。这些方法利用工程化抗体或合成肽疫苗来靶向并清除毒性Tau种子，防止其将腐败传播给邻近的健康细胞。主动和被动Tau免疫疗法在小鼠模型中均报告了病理减少和认知能力显著改善。在清除策略的同时，一种遗传方法涉及使用反义寡核苷酸（ASOs）靶向降低总体Tau水平。设计用于靶向和降解MAPT mRNA的ASOs最近因其在临床试验中的成功而受到关注，显示出可靠性并降低了脑脊液中聚集的Tau，显示出安全性和早期疗效迹象。
此外，由于Tau的脱离本质上损害了神经元细胞骨架，研究人员正在研究直接稳定微管以对抗AD病理的方法。施用微管稳定剂，如埃坡霉素D化合物，旨在通过独立加强细胞骨架来应对Tau的功能丧失，减少轴突功能障碍。
尽管药物研发多样性和临床试验正在进行，但在后期试验中尚未取得突破性进展，表明在疾病效益方面有前景的飞跃。这可能是由于多种挑战，包括该疾病的复杂双重病理学、对其潜在机制的不完全理解、药物跨越血脑屏障的困难以及临床试验中常见的以患者为中心的挑战等因素。最终，寻找有效的AD治疗方法可能需要一种全面解决Tau复杂生物学的多管齐下的方法。上述策略代表了现代、以Tau为中心的药物开发的基础支柱。然而，有效的治疗靶点绝不限于这些方法。虽然还没有直接靶向Tau的疗法获得完全临床批准，但许多不同的治疗药物目前正在推进人体临床试验，表明研究人员正在探索各种途径来解决病理传播的问题。由于Tau的毒性转化由多种遗传、环境和生化因素决定，探索这些不同途径以及多种方法的潜在组合提供了推进AD治疗最有希望的道路。
**结论**
AD和其他神经退行性Tau蛋白病的发病机制与微管相关蛋白Tau的结构和功能崩溃有关。Tau从高度可溶、内在无序的蛋白质转变为刚性的神经毒性聚集体，并非由单一事件驱动，而是由多种因素共同作用。通过遗传易感性、环境应激和生化过程之间的复杂相互作用，天然蛋白质经历了神经毒性的结构和形态演变。这些因素共同损害了Tau的生理性微管稳定功能，导致产生高移动性的、有毒的寡聚体中间体，并最终形成成熟的NFTs，在细胞内积聚。最终，这些毒性物种在特定大脑区域的逐渐聚集，驱动了AD中观察到的神经退行性变所特有的突触功能衰竭和神经元死亡。
尽管科学界在阐明Tau聚集的触发因素方面取得了显著进展，但关于体内启动病理的确切分子事件组合仍然存在谜团。当前研究最大的限制之一是人脑内环境的复杂性，这在实验室环境中难以准确复制。例如，虽然已知特定修饰，如乙酰化，直接抑制生理功能并促进病理性聚集，但隔离这些机制忽略了数十个同时过程的动态相互作用。在小鼠模型中绘制这些过程图谱揭示，复杂的PTMs组合比任何单一修饰都更与疾病发病机制相关。
未来的研究应侧重于更整体的方法，结合因果因素，更接近地复制天然大脑环境。最终，研究应开始摆脱单一亚型模型，探索大脑特异性的六种不同亚型如何相互作用并调节疾病时间线。此外，成像技术的进步对于完全破译Tau聚集的结构进展和突出新的治疗靶点至关重要。最终，通过弥合这些剩余差距，医学界应有望设计出普遍有效的药理学策略，能够在任何永久性认知丧失发生之前解决Tau介导的神经退行性变问题，并逆转现有病理。
