聚丝氨酸-tau相互作用调控tau纤维化的分子机制及其在神经退行性疾病中的意义

本研究揭示了聚丝氨酸(polyserine)结构域通过自组装形成tau蛋白聚集的"热点"，直接与tau单体和纤维相互作用并加速其纤维化过程。研究人员通过细胞实验和体外重组实验证明，SRRM2和PNN蛋白中的polyserine42结构域能招募tau种子并促进聚集，且该功能与其自组装特性相关。该发现为理解阿尔茨海默病等tau蛋白病的发病机制提供了新视角。

　　

在神经退行性疾病研究领域，tau蛋白的异常聚集一直是科学家们关注的焦点。阿尔茨海默病(AD)、额颞叶痴呆(FTD)和慢性创伤性脑病(CTE)等疾病中，tau蛋白形成的神经纤维缠结是标志性病理特征。然而，细胞内调控tau聚集的具体分子机制仍不清楚。特别令人困惑的是，为什么tau会选择在某些特定的亚细胞结构处开始聚集？这个问题的答案可能为理解神经退行性疾病的发病机制提供重要线索。

科罗拉多大学(University of Colorado)的研究团队在《Journal of Biological Chemistry》上发表的研究给出了令人惊喜的发现。他们发现一类含有聚丝氨酸(polyserine)结构域的蛋白质，能够形成特殊的细胞结构，成为tau蛋白聚集的"热点"。这些发现不仅解释了tau聚集的细胞定位之谜，更为开发新型治疗策略提供了潜在靶点。

研究人员采用了多种前沿技术手段开展这项研究。通过HEK293T tau生物传感器细胞系监测tau聚集动态；利用活细胞成像技术追踪tau种子在细胞内的定位；采用重组蛋白表达纯化技术获得polyserine₄₂和tau蛋白；运用硫磺素T(ThT)荧光动力学分析量化纤维形成速率；结合共聚焦显微镜和免疫金标记电镜观察蛋白质相互作用和纤维超微结构。

Polyserine₄₂将应激颗粒转化为tau聚集位点
研究发现，通过在应激颗粒标记蛋白G3BP1上融合polyserine₄₂结构域，可以将其转变为tau聚集的优选位点。活细胞成像显示，tau聚集直接在含有polyserine的应激颗粒内起始，而不含polyserine的应激颗粒则不会招募tau。

聚丝氨酸组装体富集tau种子
内源性表达的SRRM2-Halo和PNN-Halo形成的胞质斑点能够特异性招募外源转染的tau种子，成为tau聚集的起始位点。这种招募作用依赖于蛋白质中的polyserine结构域。

Polyserine₄₂体外自组装
纯化的polyserine₄₂能够自发形成显微镜下可见的组装体，这些组装体在去污剂处理下仍保持部分稳定性，且去除SUMO溶解度标签后会形成更大的聚集体。超速离心实验证实了这些组装体的存在。

Polyserine₄₂组装体直接与tau相互作用
共聚焦显微镜观察显示，polyserine₄₂组装体能够富集tau单体和种子形式，这种相互作用具有特异性，对其他固有无序蛋白如α-突触核蛋白和TDP-43的富集程度显著较低。有趣的是，polyserine组装体只有在tau存在时才能招募RNA。

Polyserine₄₂加速tau纤维形成和生长
ThT动力学实验表明，polyserine₄₂能显著缩短tau纤维形成的滞后时间，提高纤维化速率常数。将含有polyserine的纤维化反应产物转染至报告细胞后，显示出更强的播种能力，证实了polyserine促进形成更多具有播种活性的tau纤维。

Polyserine₄₂整合入生长中的tau聚集体并改变纤维超微结构
电镜观察发现，polyserine₄₂处理的tau纤维表面存在特殊的额外密度结构，免疫金标记证实这些结构含有polyserine，表明polyserine可能修饰正在生长的tau纤维表面。

Polyserine-tau相互作用与促进tau聚集的功能可分离
通过构建一系列polyserine变体，研究人员发现将部分丝氨酸替换为天冬氨酸的变体(S₃D)₁₀SD仍能促进tau聚集，而替换为赖氨酸或苏氨酸的变体则失去该功能。特别值得注意的是，用麦芽糖结合蛋白(MBP)融合来抑制polyserine自组装后，虽然不影响其靶向tau聚集体的能力，但消除了促进tau聚集的作用，说明自组装是polyserine促进tau聚集的关键。

这项研究系统阐明了polyserine结构域通过自组装形成特殊细胞结构，直接与tau相互作用并促进其聚集的分子机制。这些发现为理解tau蛋白病的发病机制提供了全新视角：特定蛋白质中的polyserine结构域可能通过形成"聚集热点"来调控tau病理的发展。

从更广泛的角度看，这项研究揭示了蛋白质中简单重复序列的复杂生物学功能。polyserine这种看似简单的氨基酸重复，却能通过自组装形成具有特定功能的细胞结构，并参与调控与重大疾病相关的蛋白质聚集过程。这一发现不仅对理解tau蛋白病的分子机制具有重要意义，也为开发针对蛋白质聚集过程的新型干预策略提供了潜在靶点。

特别值得注意的是，研究显示polyserine促进tau聚集的功能与其自组装特性直接相关，这提示干扰polyserine的自组装过程可能成为治疗tau蛋白病的新思路。此外，在亨廷顿病和脊髓小脑共济失调8型等疾病中也观察到polyserine聚集体的存在，这项研究的发现可能对这些疾病的机制研究也具有重要启示。