Can you “C” me? 解構阿茲海默症

阿茲海默症（Alzheimer’s disease, AD）是最常見的神經退化性疾病，在 2015 年的統計資料中，全球罹病人數高達兩千九百萬人，而約兩百萬人死於阿茲海默氏症，雖罹病後平均餘命二至九年不等，但因目前無根治的治療方式，病人在剩餘的生命中，只能漸漸地由記憶衰退、思考能力退化，到對時間地點錯亂、無法言語、失去自理能力，最終通常因感染而死亡。

其致病機轉有兩大假說，第一為 beta 類澱粉蛋白（beta-amyloid, A-beta）在腦神經細胞間形成團塊堆積，刺激細胞進行細胞凋亡；第二為 tau 蛋白（tau protein）異常堆疊成神經纖維團塊（neurofibrillary lesion），進而瓦解神經元的運輸系統 [1]。自 1990 年代 beta 類澱粉蛋白假說興起，諸多臨床藥物試驗針對 A-beta 在近三十年中如雨後春筍般興起，但卻沒有一個藥物能有效治療。而在 2016 年，華盛頓大學的研究團隊指出相較於 beta 類澱粉蛋白，tau 蛋白更能有效預測阿茲海默氏症的發病 [2]，然而，因對於 tau 蛋白結構了解不足，目前亦無任何相關藥物與檢測。

由於 tau 蛋白團塊無法形成有序的結構，故無法得到適合的 X 射線晶體，因此過往研究對 tau 蛋白團塊的分子堆疊瞭解僅止於神經纖維團塊的組成：tau 蛋白團塊由 paired helical filaments（PHFs）以及 straight filaments（SFs）所構成（圖）。PHFs 以及 SFs 有多肽鏈形成雜亂無章的外圍，以及兩個 C 型的次單位所堆疊而成的核心。而從免疫染色中發現腦細胞中共有 6 種亞型的 tau 蛋白，其中三種亞型保留第十個外顯子（exon 10）轉錄轉譯出的蛋白序列， 特徵為具有四個重複序列（4 repeats, 4R），分別為 R1 到 R4；另外三種則沒有 exon 10 的蛋白序列，且只具有三個重複序列（3 repeats, 3R），缺少 R2。相較於其他神經退化性疾病純由 3R 或 4R tau 其中一種蛋白所致，阿茲海默氏症的致病性神經纖維團塊由 3R 與 4R tau 蛋白混合組成。

2017 年英國醫學研究理事會分子生物學實驗室（Medical Research Council（MRC） Laboratory of Molecular Biology）的 Dr. Scheres 與其研究團隊利用低溫電子顯微術（cryo-EM）解構 tau 蛋白結構之謎 [3]（想知道更多低溫電子顯微術資訊，請見「結構生物學」專題 ）。研究團隊從一位 74 歲的 AD 病患的大腦皮質中取得神經纖維團塊，前處理去除外圍的多肽鏈後經由 cryo-EM 成像，再由 RELION 軟體重組，發現 PHFs 以及 SFs 核心除了如過去研究所示由兩個 C 型次單位推疊構成，更進一步發現構成 PHFs 的兩個 C 型次單位為對稱分布，而構成 SFs 的則是稍微傾斜。

單看一個 C 型次單位，可發現構成核心的是 R3、R4 兩個重複序列，R1、R2 則分布在較外側。再聚焦於分子層面，則可發現 C 型次單位在疏水性團基（hydrophobic cluster）與氫鍵的穩定下，由八個 beta- 折疊（beta1~8）構成，而此構造特別之處在於 R4 的 beta4~6 摺版形成螺旋狀轉折（beta-helix），使 beta1~5 與 beta6~8 平行排列形成 cross-beta packing，進而構成 tau 蛋白特別的 C 型結構。而若看兩個 C 型次單位如何相互連結，PHFs 與 SFs 則有不同的分子間交互作用：PHFs 利用次單位中的四個胺基酸（332PGGGQ336）相互反向排列，其中的三個甘胺酸（glycine, G）易形成 beta 螺旋（beta-spiral），並在次單位內與次單位間形成氫鍵；而麩胺醯胺（Q336）亦與另一次單位的賴胺酸（K331）形成氫鍵，以上分子間交互作用使 PHFs 更加穩固。SFs 則分別利用兩個次單位中的殘基 321KGGS324 與 313VDLSK317 連結，有趣的是，其中的分子間作用力並非源自疏水性基團或是氫鍵，而是在 K317、T319、K321 之間有增加特殊的作用力，研究團隊綜合低溫電子顯微術（cryo-EM）與相關抗體的作用結果，歸結出該作用力與 SFs 的 N 端麩胺酸與苯丙胺酸殘基（7EFE9）相同，故在 SFs 中，N 端會反摺並提供作用力穩定整體結構。

研究者揭示 PHFs 與 SFs 的分子構造，解釋了為何阿茲海默症的致病因子別於其他 tau 蛋白導致的神經退化性疾病：其神經團塊非由單一類 tau 蛋白組成，而是同時由 3R 與 4R tau 蛋白以 R3 與 R4 的交互作用維持的 C 型核心所構成。此研究不啻是解釋了阿茲海默症的複雜性以及治療的困難。除此之外，先前研究曾發現若將人類阿茲海默症的 tau 蛋白注入健康小鼠中，可以導致小鼠中產生神經纖維致病團塊，並產生相關症狀 [4]，然而，此現象缺乏分子生物學的直接證據。R4 重複序列中的 beta 螺旋（beta-helix）即是可能的解答：在真菌所產生的 HETs 普里昂蛋白（HET-s Prion）亦有相同構造 [5]，解答了 tau 蛋白具傳染性的謎團。而此特別的 beta 螺旋構造，更可製成為正子掃描探針（PET-ligand），可精確探測出大腦中的 tau 蛋白，更準確的預測阿茲海默症的發病與進展。然而，因該研究僅專注於 tau 蛋白的核心結構，我們對外圍雜亂無章的多肽鏈的致病性了解甚少，若要更進一步了解阿茲海默症，仍需更多研究釐清。

參考資料：

1. Serrano-Pozo, A., Frosch, M. P., Masliah, E., & Hyman, B. T. (2011). Neuropathological Alterations in Alzheimer Disease. Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine, 1(1), a006189-a006189. doi:10.1101/cshperspect.a006189
2. Underwood, E. (2016). Tau protein—not amyloid—may be key driver of Alzheimer’s symptoms. Science. doi:10.1126/science.aaf9985
3. Fitzpatrick, A. W., Falcon, B., He, S., Murzin, A. G., Murshudov, G., Garringer, H. J., … Scheres, S. H. (2017). Cryo-EM structures of tau filaments from Alzheimer’s disease. Nature, 547(7662), 185-190. doi:10.1038/nature23002
4. Guo, J. L., Narasimhan, S., Changolkar, L., He, Z., Stieber, A., Zhang, B., … Lee, V. M. (2016). Unique pathological tau conformers from Alzheimer’s brains transmit tau pathology in nontransgenic mice. The Journal of Experimental Medicine, 213(12), 2635-2654. doi:10.1084/jem.20160833
5. Wasmer, C., Lange, A., Van Melckebeke, H., Siemer, A. B., Riek, R., & Meier, B. H. (2008). Amyloid Fibrils of the HET-s(218-289) Prion Form a Solenoid with a Triangular Hydrophobic Core. Science, 319(5869), 1523-1526. doi:10.1126/science.1151839