编辑推荐：
大多数神经退行性疾病被认为通过类朊病毒机制在大脑中扩散，其中纤维状蛋白质组装体通过模板化播种进行自我增殖。淀粉样纤维的不同构象可能为导致不同疾病的毒株提供了物理基础。然而，朊病毒假说的核心支柱——即毒株在传播过程中保持其结构特性——尚未得到证实。本研究显示，将
大多数神经退行性疾病被认为通过类朊病毒机制在大脑中扩散，其中纤维状蛋白质组装体通过模板化播种进行自我增殖。淀粉样纤维的不同构象可能为导致不同疾病的毒株提供了物理基础。然而，朊病毒假说的核心支柱——即毒株在传播过程中保持其结构特性——尚未得到证实。本研究显示，将来自阿尔茨海默病（AD）或皮质基底节变性（CBD）患者大脑的tau纤维注射到野生型小鼠大脑中，会导致由小鼠tau组成的淀粉样纤维的播种组装，且这些纤维的结构与种子完全相同。因此，研究人员证明，类似于朊病毒毒株，tau纤维通过模板化播种进行传播，并且小鼠是研究不同tau折叠如何驱动大脑中疾病特异性病理分子机制的合适模型。
研究背景与科学问题
神经退行性疾病如阿尔茨海默病（AD）和皮质基底节变性（CBD）的核心病理特征之一是微管结合蛋白tau的异常聚集形成纤维状聚集体。越来越多的证据表明，tau蛋白的病理传播遵循类朊病毒机制，即错误折叠的tau纤维可作为“种子”，招募并诱导正常可溶性tau单体发生构象转变，形成与种子相同结构的纤维。冷冻电镜（cryo-EM）结构研究已揭示，不同tau蛋白病（tauopathies）中tau纤维具有独特的折叠方式，这被认为是构成不同疾病“毒株”（strains）的物理基础。然而，类朊病毒假说最关键的环节——即tau毒株在跨细胞甚至跨个体传播后能否完整保留其特有的三维构象——此前从未被实验证实。此外，虽然已有研究将人脑来源的tau种子注入小鼠大脑可诱导tau病理，但这些诱导产生的tau纤维的原子级结构是否与人类疾病中的种子一致仍是未知。解决这一问题对于理解tau蛋白病的发病机制、建立准确的动物模型以及开发针对特定tau构象的诊断和治疗方法至关重要。
研究内容与结论
为验证上述假说，研究人员从经神经病理学确诊的AD患者（5例）和CBD患者（6例）额叶皮层中提取tau纤维作为种子，将其立体定位注射至6–18周龄的野生型C57BL/6J小鼠纹状体中。注射后9–12个月，对小鼠大脑进行组织学、生物化学及冷冻电镜分析。结果表明：AD种子注射的小鼠脑内出现神经元特异性tau包涵体，而CBD种子注射的小鼠则同时出现神经元和胶质细胞中的tau病理，包括线圈样小体和斑块样星形胶质细胞包涵体，这与人类相应疾病的细胞类型特异性高度一致。免疫印迹和免疫电镜证实，这些病理包涵体完全由内源性磷酸化小鼠tau组成，注射的人tau种子在1周内已被清除。最关键的是，冷冻电镜结构解析显示：AD种子诱导的小鼠tau纤维中83%为成对螺旋丝（PHFs），其三维结构与人类AD脑中的PHFs完全一致（所有非氢原子的均方根偏差RMSD为0.906 ?）；CBD种子诱导的小鼠tau纤维中74%为单原纤维，其结构与人类CBD I型纤维完全一致（RMSD为0.576 ?），其余26%的双原纤维结构与可能的CBD II型纤维相符。这一发现首次在原子分辨率水平上证明了tau毒株可通过模板化播种实现构象信息的跨物种传递。该研究成果发表于《Nature》。
主要关键技术方法
- 1.
人脑tau种子的制备：采用肌氨酸不溶组分提取法，从AD和CBD患者尸检脑组织（经知情同意及伦理委员会批准）中获得富含tau纤维的沉淀，经超声处理后用于注射。
- 2.
立体定向颅内注射：将种子双侧注射至C57BL/6J雄性小鼠纹状体。
- 3.
组织病理学分析：利用磷酸化依赖性抗体（AT8、AT100）、小鼠tau特异性抗体（mTau）、构象特异性抗体（GT-38）及Gallyas-Braak银染进行免疫组化和免疫荧光染色。
- 4.
生物化学与超微结构分析：通过免疫印迹和免疫金标记负染电镜鉴定tau蛋白的生化特性及纤维形态。
- 5.
冷冻电镜（cryo-EM）三维重构：使用Titan Krios电镜和Falcon4i探测器采集数据，经RELION软件进行螺旋重构，获得近原子分辨率的三维密度图，并与已知的人类tau纤维原子模型进行拟合比对。
研究结果
细胞类型特异性tau病理：AD种子注射后，AT8阳性tau病理局限于神经元胞体和突起；而CBD种子注射后，tau病理同时出现在神经元和胶质细胞中，形成线圈样小体和斑块样星形胶质细胞包涵体。GT-38抗体仅在AD种子注射的小鼠中呈阳性，提示该抗体的表位位于第二个微管结合重复区（R2），而成年小鼠只表达4R tau，因此该表位在AD纤维中暴露而在CBD纤维中被包裹于有序核心内。
磷酸化小鼠tau纤维的形成：免疫印迹显示，肌氨酸不溶组分中仅检测到小鼠tau（mTau阳性，HT7阴性），且AD和CBD种子诱导的tau呈现不同的条带模式，其中CBD种子诱导出一条37 kDa的特征性条带。免疫电镜证实这些组分含有磷酸化小鼠tau纤维，且CBD种子诱导的纤维具有更长的交叉间距。
播种纤维与种子结构完全一致：冷冻电镜分析表明，AD种子诱导的纤维中83%为PHFs，其3.6 ?分辨率的密度图与人类AD脑中的PHFs结构完全一致（RMSD 0.906 ?）。CBD种子诱导的纤维中74%为单原纤维，其3.4 ?分辨率的密度图与人类CBD I型纤维结构完全一致（RMSD 0.576 ?），其余双原纤维可能对应CBD II型纤维。
讨论与结论
本研究提供了人源疾病特异性tau毒株在小鼠脑内进行类朊病毒传播的直接结构证据。由于小鼠和人类tau在AD及CBD纤维有序核心区的氨基酸序列完全相同，内源性小鼠tau能够组装出与人脑纤维原子结构完全一致的纤维。这一发现支持了不同tau折叠代表独特毒株的假说，并解释了为何AD和CBD种子可分别诱导出各自特征的细胞类型特异性病变。值得注意的是，成年小鼠只表达4R tau，这构成了对仅含3R tau的Pick病种子传播的物种屏障，但不影响3R+4R或4R tau病的传播。尽管tau与朊病毒在传播机制上相似，但两者存在重要区别：tau蛋白病通常不具有传染性，且病程远慢于朊病毒病。注射tau种子的小鼠虽脑内有大量tau包涵体，却未表现出临床症状，这可能与小鼠寿命较短或包涵体数量尚不足以引发症状有关。研究人员提出，纤维组装可分为三个阶段：种子摄取、模板化转换和新生纤维释放传播，不同tau折叠可能通过影响这些阶段来塑造疾病特异性的传播效率和细胞嗜性。本研究的结论是：将人神经退行性疾病患者大脑中的tau种子注射到野生型小鼠脑内，可导致小鼠tau纤维组装并保留人源疾病特异性种子的构象，这表明小鼠是研究这些机制的合适模型，将为理解疾病特异性tau毒株行为提供新的认识，并为开发新型诊断和治疗策略开辟道路。
