Tau蛋白在大鼠与小鼠海马长时程突触抑制（LTD）调控中的相反作用：Mapt敲除模型的种属依赖性证据

《Molecular Brain》：Antithetical roles of tau in hippocampal long-term synaptic depression in rats versus mice

　　

突触功能障碍是tau蛋白病（tauopathies）——一组包括阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease）在内的主要神经退行性疾病——的核心特征。然而，tau的正常突触功能仍知之甚少。由于大鼠在理解人tau方面较小鼠具有优势，例如表达六种tau亚型并表现出更显著的tau病理征象，以及具有更丰富的行为库，研究人员构建了tau敲除（Mapt KO）大鼠品系。研究人员主要研究了tau缺失对长时程突触抑制（LTD）的影响——LTD是一种突触弱化形式，tau在小鼠中介导该过程。对海马Schaffer collateral–CA1突触进行低频刺激显示，相较于野生型（WT）同窝对照，Mapt KO大鼠的LTD显著增强。相反，在交错实验中，Mapt KO小鼠相较于WT同窝对照表现出LTD降低，这与既往报道一致。总之，研究人员的发现表明，内源性tau在调控海马LTD中具有物种依赖性作用，在小鼠中促进LTD，而在大鼠中限制LTD。因此，tau的功能在啮齿动物中未必保守，这凸显了动物模型选择的重要性。

Tau是一种微管相关蛋白，对维持神经元细胞骨架结构至关重要，在tau蛋白病（tauopathies，一组以tau病理为特征的神经退行性疾病）中发生异常，其中包括阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）。除经典池外，tau也存在于突触并调控关键突触功能。由于突触弱化和突触丢失是AD及其他tau蛋白病的早期特征，理解tau的突触作用对开发更有效治疗手段十分必要。既往tau缺失对突触功能的影响主要在微管相关蛋白tau纯合敲除（Mapt^?/?；Mapt KO）小鼠中研究，显示tau缺失导致幼年期长时程突触抑制（LTD，一种突触弱化形式）缺陷。然而Mapt基因存在显著进化分化；人中枢神经系统（CNS）中tau有六种亚型，各有不同生理功能和神经病理特征。与小鼠不同，大鼠表达与人类相同数目的tau亚型，提示大鼠可能是理解人tau的更好模型；大鼠生理更接近人、行为库更丰富，且较少受驱动tau磷酸化和病理的环境应激影响；大鼠AD模型tau病理也更接近人AD患者。但tau在大鼠突触功能中是否发挥类似作用尚不清楚。为此，研究人员构建大鼠Mapt KO品系并研究tau缺失对海马LTD的影响。

研究人员开发了组成性大鼠Mapt KO品系SD-Mapt^em1Tcp，并主要研究tau消除对LTD的影响。结论是内源性tau调控海马LTD的作用具有物种依赖性：在小鼠中促进LTD，在大鼠中限制LTD；因此tau功能在啮齿动物中未必保守，凸显动物模型选择的重要性。该研究还提供了可用于研究内源性tau在AD和其他神经退行性疾病中作用的大鼠工具。

方法概括：研究人员用CRISPR-Cas9构建SD-Mapt^em1Tcp大鼠；Sanger测序确认Mapt第4至第5外显子缺失；用针对缺失区域上游和下游的N端单克隆与C端多克隆tau抗体，对幼年大鼠全海马匀浆进行免疫印迹，确认tau蛋白表达缺失；样本来自幼年雄性Mapt KO大鼠、Mapt KO小鼠及各自野生型（WT）同窝对照；在急性离体海马切片CA1区，对Schaffer collateral–CA1突触给予低频刺激（LFS；900次脉冲，1 Hz）诱导LFS-LTD，并以交错实验比较大鼠与小鼠；采用双因素方差分析（two-way ANOVA）及?ídák事后检验。

结果：
Mapt缺失对雄性大鼠与小鼠LTD的相反效应。通过免疫印迹，研究人员确认Mapt KO大鼠海马中tau蛋白缺失；KO幼鼠无大体缺陷，体重、脑重和海马质量未见改变。通过急性离体海马切片电生理，LFS诱导的LTD在雄性Mapt KO大鼠中较WT同窝显著增强（40.3±3.1%，n=6 vs 22.0±4.3%，n=6；t(26)=4.0，p=0.002）。相反，在交错实验中，雄性Mapt KO小鼠的LTD较WT同窝降低（14.9±2.5%，n=9 vs 29.4±2.2%，n=9；t(26)=3.9，p=0.003），与既往报道一致。双因素方差分析显示物种×基因型交互作用显著（F(1,26)=30.5，p<0.0001）；KO大鼠的增强LTD与KO小鼠降低LTD差异显著（t(26)=6.0，p<0.0001），而雄性WT小鼠与大鼠LTD水平相似（t(26)=1.8，p=0.3）。这些结果说明tau对LTD的作用随啮齿动物物种而异：小鼠中促进，大鼠中限制。

讨论：交错实验使用雄性大鼠与小鼠，确认该差异是确证的物种差异，而非实验条件不同。其原因尚不清楚，可能涉及若干因素：其一，大鼠具有而小鼠缺乏的tau亚型（如1N3R/2N3R）的功能，因不同亚型具有独特作用；其二，外在因素，如大鼠与小鼠处理或应答应激的差异，tau在小鼠中已被显示参与应激相关过程；其三，内在因素，如树突中突触可塑性基因表达水平不同，包括钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶II（CaMKIIβ）、神经颗粒素（neurogranin）及若干突触结合蛋白（synaptotagmin）亚型。因此LTD诱导和/或表达机制可能在这两种啮齿动物间不同。研究人员关注大鼠tau缺失源于tau亚型表达的进化分化：与人类一样，幼年大鼠表达全部六种CNS tau亚型并持续至成年；幼年小鼠主要表达0N3R，随年龄减弱，0N4R随1N4R和2N4R至成年增加，而1N3R和2N3R表达缺乏。这些差异可能关键，因为不同tau亚型稳定微管程度不同、与突触功能相关的互作伙伴不同、亚细胞定位不同。大鼠正越来越多用于tau蛋白病研究；例如近期在雄性大鼠中显示，急性脑室内注射富集寡聚体tau促进LTD，而纤维来源可溶性tau聚集体抑制LTD。因此该Mapt KO大鼠品系为研究内源性tau在AD等神经退行性疾病中的作用提供了有用工具。未来实验应考虑雌性啮齿动物是否存在该物种差异（大鼠tau磷酸化存在性别差异报道），以及tau缺失对随年龄变化的突触可塑性、学习和记忆的影响，因为tau亚型表达比例和翻译后修饰随寿命改变；tau缺失在6月龄成年小鼠中不影响更强LFS方案（2 Hz，1800次脉冲）诱导的LTD，这可能反映LTD幅度下降及随年龄机制变化。tau功能缺失是否在tau病理背景下重新激活LTD通路，以及大鼠中是否随性别或年龄不同，仍有待证明。

研究结论翻译：研究人员的发现表明，内源性tau在海马LTD调控中具有物种依赖性作用，在小鼠中促进LTD而在大鼠中限制LTD。因此，tau的功能在啮齿动物中未必保守，这凸显了动物模型选择的重要性。总之，此处报道的物种差异突显了选择最合适动物模型以研究tau与人类健康和疾病相关的生理和病理功能的重要性。