tau蛋白的双糖基化与氧化：甲基乙二醛和过氧化氢对tau蛋白结构及纤维组装的影响

《Free Radical Biology and Medicine》：Dual glycation and oxidation of tau protein: impact of methylglyoxal and hydrogen peroxide on tau structure and fibril assembly

阿尔茨海默病与2型糖尿病存在蛋白糖基化及氧化应激协同致tau纤维化的机制，通过SDS-PAGE、荧光光谱等分析单用或联用甲基glyoxal和过氧化氢对tau结构、纤维化动力学及细胞毒性的影响，发现联合处理增强纤维化并形成有序纤维结构，提示代谢应激与神经退行性病变的分子关联。

　　阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）和2型糖尿病（Type 2 Diabetes Mellitus, T2DM）是两种与人类衰老密切相关的神经退行性疾病，它们在发病机制上存在显著的重叠，尤其是在蛋白质糖基化和氧化应激方面。近年来，随着全球人口老龄化趋势的加剧，这两种疾病的发生率也在不断上升，对公共卫生系统构成了重大挑战。研究发现，AD和T2DM之间存在复杂的相互作用，这种关联不仅体现在临床症状上，还涉及分子层面的病理机制。其中，tau蛋白作为AD的核心病理标志之一，其结构和功能的改变被认为是导致神经退行性病变的重要因素。与此同时，T2DM中糖基化反应的加剧也被认为是加剧神经退行性病变的关键机制之一。因此，探索糖基化和氧化应激对tau蛋白结构和纤维化过程的影响，不仅有助于理解AD的发病机制，还可能为T2DM与AD之间的病理联系提供新的视角。

tau蛋白是一种在神经元中广泛表达的微管相关蛋白，其主要功能是维持细胞骨架的稳定性和促进神经元的正常功能。在AD中，tau蛋白会发生异常的磷酸化、糖基化和氧化等后翻译修饰（Post-Translational Modifications, PTMs），导致其从微管上解离并形成不溶性的神经纤维缠结（Neurofibrillary Tangles, NFTs）。这些缠结不仅破坏了细胞结构，还进一步加剧了神经元的死亡和功能障碍。值得注意的是，tau蛋白的异常修饰并非孤立发生，而是与多种环境因素相互作用，例如氧化应激和糖基化反应。这些修饰过程会改变tau蛋白的构象，使其更容易形成纤维结构，并最终导致病理损害。因此，理解这些修饰如何影响tau蛋白的结构和纤维化过程，对于揭示AD的发病机制和寻找潜在治疗靶点具有重要意义。

糖基化是一种非酶促反应，通常发生在蛋白质与糖类分子之间，形成晚期糖基化终产物（Advanced Glycation End Products, AGEs）。在T2DM中，高血糖水平会促进糖基化反应的进行，导致AGEs的积累。这些AGEs不仅会损害蛋白质的结构和功能，还可能通过激活受体（如RAGE）引发氧化应激，从而形成一个恶性循环。在AD的背景下，糖基化同样被认为是一个关键因素，它能够通过影响tau蛋白的构象，促进其聚集和纤维化。此外，糖基化还可能通过激活某些激酶（如GSK-3β）来增强tau蛋白的磷酸化水平，进一步加剧其病理变化。因此，糖基化与AD的发病机制之间存在密切的联系，而这种联系可能与T2DM的发生密切相关。

氧化应激是另一种重要的病理机制，它涉及活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）的异常积累，这些物质可以破坏蛋白质、脂质和DNA等生物大分子的结构和功能。在AD和T2DM中，氧化应激被认为是一个关键的促进因素，它不仅能够直接损伤神经元，还可能通过影响蛋白质的修饰状态间接参与疾病的发展。例如，氧化应激可以导致tau蛋白中的半胱氨酸、酪氨酸和蛋氨酸等氨基酸残基的氧化，从而改变其构象并促进纤维化。同时，氧化应激还会通过促进AGEs的形成，进一步加剧糖基化反应的进行，形成一个相互作用的病理网络。因此，糖基化和氧化应激并非孤立的过程，而是通过复杂的相互作用共同影响tau蛋白的结构和功能。

在本研究中，科学家们重点探讨了甲基glyoxal（Methylglyoxal, MGO）诱导的糖基化和过氧化氢（Hydrogen Peroxide, H?O?）介导的氧化应激对tau蛋白结构、纤维化过程以及细胞毒性的影响。MGO是一种在葡萄糖代谢过程中产生的活性中间体，它能够与蛋白质中的氨基基团发生非酶促反应，导致糖基化。而H?O?作为一种常见的活性氧，能够引起蛋白质的氧化损伤，改变其构象并促进聚集。研究采用了多种生物化学和生物物理方法，如SDS-PAGE、荧光光谱、圆二色光谱、动态光散射、傅里叶变换红外光谱和原子力显微镜，对tau蛋白的结构变化和纤维化过程进行了全面评估。此外，研究还通过MTT实验检测了不同修饰状态下的tau蛋白对SH-SY5Y细胞的毒性作用，从而进一步揭示了其在神经退行性疾病中的潜在危害。

研究结果表明，单独使用MGO或H?O?对tau蛋白的修饰作用存在差异。MGO诱导的糖基化在一定程度上会减缓tau蛋白的纤维化过程，但会促进寡聚体的形成。相比之下，H?O?介导的氧化应激则会加速tau蛋白的纤维化，同时引起更显著的结构变化。然而，当MGO和H?O?同时作用于tau蛋白时，它们的协同效应更加明显，不仅显著增加了tau蛋白的纤维化速率，还导致了更有序的纤维结构的形成。这种有序结构可能更容易被神经元识别并引发毒性反应。因此，MGO和H?O?的联合作用在AD和T2DM的病理过程中可能扮演着更加关键的角色。

值得注意的是，研究还探讨了糖基化和氧化应激对tau蛋白纤维化过程的不同作用模式。在预纤维化修饰条件下，MGO的加入会减少tau蛋白的纤维化，而H?O?则会增加其纤维化。然而，在同时进行修饰和纤维化的过程中，两种修饰的共同作用会显著促进tau蛋白的纤维化，并导致更复杂的结构变化。这表明，不同的修饰条件可能会对tau蛋白的纤维化过程产生截然不同的影响，而这种影响可能与修饰的时间、浓度以及修饰后的环境条件密切相关。因此，理解这些修饰如何在不同的条件下相互作用，对于揭示AD和T2DM之间的病理联系具有重要意义。

此外，研究还通过使用肝素（Heparin）进行纤维化实验，探讨了糖基化和氧化修饰是否能够使tau蛋白自主形成纤维。结果表明，即使在没有外源性纤维化诱导剂的情况下，经过MGO和H?O?修饰的tau蛋白仍然能够形成纤维，这进一步支持了糖基化和氧化应激在AD病理过程中的关键作用。这种自主纤维化的能力可能意味着，这些修饰不仅改变了tau蛋白的结构，还可能通过某种机制使其更容易发生聚集和纤维化，从而加剧神经退行性病变。

总的来说，本研究通过系统地分析糖基化和氧化应激对tau蛋白的影响，揭示了这两种修饰在AD和T2DM病理过程中的协同作用。研究结果表明，MGO和H?O?的联合作用能够显著增强tau蛋白的纤维化过程，并导致更有序的纤维结构的形成，同时增加其对神经元的毒性。这些发现不仅加深了我们对AD和T2DM之间病理联系的理解，还为开发针对这些修饰的干预策略提供了理论依据。未来的研究可以进一步探索这些修饰的具体分子机制，以及如何通过调节糖基化和氧化应激来延缓或阻止AD的进展。此外，这些发现还可能为其他神经退行性疾病的治疗提供新的思路，特别是在针对代谢性疾病的干预措施方面。