《Current Proteomics》：Impact of post-translational modifications in Alzheimer’s disease: An overview
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背景：阿尔茨海默病（AD）是全球痴呆症的首要病因，其特征为进行性认知功能减退、β-淀粉样蛋白（Aβ）斑块沉积、神经原纤维缠结形成、突触功能障碍及神经炎症。越来越多的证据表明，翻译后修饰（PTMs），包括磷酸化、乙酰化、泛素化、糖基化、甲基化、SUMO化及氧化修
背景：阿尔茨海默病（AD）是全球痴呆症的首要病因，其特征为进行性认知功能减退、β-淀粉样蛋白（Aβ）斑块沉积、神经原纤维缠结形成、突触功能障碍及神经炎症。越来越多的证据表明，翻译后修饰（PTMs），包括磷酸化、乙酰化、泛素化、糖基化、甲基化、SUMO化及氧化修饰，在调控蛋白质功能中发挥关键作用，并对AD发病机制有显著贡献。本综述全面评估PTMs在AD中的机制性参与及其作为诊断生物标志物和治疗靶点的新兴意义。方法：按照系统评价与荟萃分析优先报告条目2020（PRISMA 2020）建议开展系统性文献综述。通过检索PubMed、Scopus、Web of Science、Embase、Google Scholar及其他生物医学数据库，纳入截至2025年3月发表的相关研究。纳入探讨PTM介导的AD发病机制、生物标志物发现、蛋白质组学及治疗干预的研究，并依据方法学质量与证据强度进行批判性评估。结果：所综述证据表明，异常PTMs是AD病理的核心调控因素。tau蛋白过度磷酸化促进神经原纤维缠结形成，而PTM介导的淀粉样前体蛋白加工改变则增强Aβ生成与聚集。乙酰化、泛素化、糖基化及氧化修饰失调进一步导致蛋白质稳态受损、线粒体功能障碍、突触退变及神经炎症信号传导。新兴研究强调PTMs间广泛串扰，构建了驱动疾病进展的互联分子网络。此外，PTM衍生生物标志物，尤其是磷酸化tau蛋白种类（p-Tau181、p-Tau217和p-Tau231），在脑脊液和血液中已显示出高诊断准确性。超灵敏蛋白质组学与多组学技术的进步进一步拓展了基于PTM的生物标志物发现及精准医学方法的机会。结论：PTMs通过调控蛋白质聚集、神经元信号传导、神经炎症及细胞稳态，构成AD发病机制的关键分子层面。其与疾病特异性分子改变的强关联使PTMs成为有价值的生物标志物和潜在治疗靶点。蛋白质组学、磷酸化蛋白质组学、糖蛋白质组学及先进生物标志物平台的持续整合，有望促进早期诊断、改善患者分层，并加速针对AD的靶向疾病修饰疗法的开发。
一、研究背景
痴呆症仍是全球重大公共卫生挑战之一，全球约有5700万患者，每年新增近1000万例。阿尔茨海默病（AD）是最常见的痴呆病因，约占全部痴呆病例的60%～70%。仅在美国，2025年65岁及以上人群中估计有720万AD患者，随着人口老龄化加速，该数字预计到2050年将接近1300万。AD的社会经济负担持续显著上升，医疗、长期护理及临终关怀支出每年达数千亿美元。
神经病理学上，AD以细胞外β-淀粉样蛋白（Aβ）斑块蓄积和由过度磷酸化tau蛋白构成的细胞内神经原纤维缠结为特征。然而，当代研究揭示AD发病机制更为复杂，涉及神经炎症、突触功能障碍、线粒体损伤、血管改变、蛋白清除缺陷以及影响蛋白聚集和神经元存活的各种翻译后修饰（PTMs）。越来越多证据提示，包括磷酸化、乙酰化、泛素化、SUMO化、糖基化和甲基化在内的异常PTMs在调控Aβ和tau病理中起关键作用，并可能成为有前景的治疗靶点。
AD的诊断格局近年来快速演变。虽然脑脊液（CSF）生物标志物和正电子发射断层扫描（PET）成像仍是重要诊断工具，但血液生物标志物的出现，尤其是血浆磷酸化tau蛋白种类（p-tau181、p-tau217和p-tau231），已改变早期检测和疾病监测的模式。这些微创生物标志物已显示良好的诊断准确性，并有助于在临床前和前驱期识别个体。
治疗策略也已从以症状管理为主转向疾病修饰。尽管胆碱酯酶抑制剂和美金刚仍提供症状获益，近期抗淀粉样蛋白单克隆抗体已证明能在部分早期AD患者中延缓认知下降。同时，新兴治疗方法正靶向tau病理、神经炎症、线粒体功能障碍及PTM调控通路。当前研究日益强调精准医学、多组学技术和联合治疗，以应对AD的多因素性质。因此，加深对AD分子机制，特别是PTMs在疾病起始和进展中作用的理解，可能有助于开发更有效的生物标志物和疾病修饰干预措施，用于早期诊断、预防和治疗。
二、研究方法
研究人员按照PRISMA 2020指南开展系统性文献综述。检索数据库包括PubMed、Scopus、Web of Science、EMBASE、Google Scholar，以及CINAHL、PsycINFO、Cochrane对照试验中心注册库、Open Grey、加拿大药物与技术卫生署及WorldCat数据库，并手工筛查所有合格文章的参考文献列表。检索截至2025年3月发表的文章，检索词包括"AD""PTM""磷酸化""乙酰化""糖基化""泛素化""氧化修饰""tau""Aβ""蛋白质组学""生物标志物"等的组合。纳入标准为：探讨PTMs在AD发病、诊断或治疗中的作用；研究PTMs对APP、Aβ、tau等AD相关蛋白的影响；报告体外、体内、临床、转化或组学相关发现；以英文发表于同行评审期刊。排除标准为：与AD或神经退行性疾病PTMs无直接关系；会议摘要、社论、评论、通信及无全文文章；重复发表或数据重叠研究；缺乏足够方法学或实验细节的研究。证据质量评估采用基于研究设计、方法学严谨性、偏倚风险、可重复性和结果适用性的框架，从研究设计与方法学严谨性、样本充分性、可重复性或独立验证、机制或临床相关性、分析方法适当性与有效性五个域进行分级，将证据强度分为高、中、低三级。生物标志物研究额外考虑分析验证、适当对照组、与既定AD病理的关联及诊断或预后性能证据；机制研究则评估PTM改变是否经实验操纵及表型是否可重现或逆转。
三、研究结果
PTMs基本特征与蛋白质组复杂性：超过400种PTM类型已在真核系统中被鉴定，包括磷酸化、乙酰化、泛素化、糖基化、甲基化、SUMO化、硝化、氧化、瓜氨酸化、棕榈酰化、琥珀酰化、巴豆酰化及ADP-核糖基化。PTMs可通过特异修饰酶的酶促作用或通过活性代谢物和氧化应激的非酶促作用发生，且许多PTMs可逆且高度动态。在中枢神经系统（CNS）中，PTMs对神经元分化、轴突运输、神经递质释放、突触可塑性、学习、记忆形成及细胞应激反应至关重要。蛋白质稳态（proteostasis）概念已成为理解神经退行性变的核心框架，PTMs通过调控分子伴侣、自噬通路及泛素-蛋白酶体系统在调节蛋白质稳态网络中发挥关键作用。高通量蛋白质组学的发展，包括液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）、数据非依赖采集（DIA）、串联质量标签（TMT）定量及单细胞蛋白质组学，使PTM位点的全面鉴定和定量达到前所未有的深度。
主要PTMs在AD中的机制作用：
磷酸化：磷酸化是AD中研究最广泛的PTM，是疾病进展的关键驱动因素。糖原合成酶激酶-3β（GSK-3β）、细胞周期蛋白依赖性激酶-5（CDK5）、酪蛋白激酶-1（CK1）及丝裂原活化蛋白激酶（MAPKs）等激酶过度激活，导致tau在多个丝氨酸和苏氨酸残基过度磷酸化。过度磷酸化tau对微管亲和力降低，导致细胞骨架失稳和轴突运输受损，并发生构象改变促进自组装为配对螺旋丝和神经原纤维缠结。p-Tau181、p-Tau217和p-Tau231等磷酸化tau种类已显示显著诊断价值。磷酸化还调控APP转运和加工，APP异常磷酸化增强β-分泌酶和γ-分泌酶介导的淀粉样蛋白生成性切割。
糖基化：AD中已报道糖基化模式改变，与APP代谢异常和tau病理密切相关。N-连接糖基化影响APP成熟和细胞内运输。O-GlcNAcylation与磷酸化常竞争tau蛋白相同或相邻残基，AD脑中O-GlcNAcylation水平降低促进tau过度磷酸化和聚集；实验研究表明药理学增强O-GlcNAcylation可降低tau磷酸化、抑制聚集并改善神经元存活。
乙酰化：tau蛋白乙酰化已成为AD病理的关键促进因素。赖氨酸乙酰化阻断泛素介导的tau降解，导致病理性tau种类细胞内蓄积，乙酰化tau聚集倾向增强、神经毒性增加。组蛋白乙酰化通过调节染色质结构和基因转录在AD中发挥重要作用，组蛋白去乙酰化酶（HDAC）抑制剂作为恢复认知功能、减少神经退行性变的潜在治疗药物受到关注。
泛素化：泛素化通过泛素-蛋白酶体系统（UPS）靶向受损、错误折叠或聚集蛋白进行降解。在淀粉样斑块和神经原纤维缠结中已鉴定出泛素化蛋白，提示AD中细胞蛋白质量控制机制严重受损。UPS活性缺陷导致病理性tau和Aβ聚集物蓄积，特定E3泛素连接酶表达和活性改变与蛋白质稳态受损和突触功能障碍相关。
氧化应激相关PTMs：氧化应激通过氧化、硝化、羰基化和糖化等PTMs促进AD发病。活性氧（ROS）和活性氮（RNS）修饰蛋白质、脂质和核酸，导致细胞功能受损和神经元损伤。氧化修饰的tau和Aβ蛋白聚集倾向增强、神经毒性增加，并破坏线粒体功能、促进神经炎症反应；氧化修饰常在AD早期被检测到，提示其作为早期生物标志物的潜力。
PTMs串扰与整合机制框架：PTMs并非孤立发挥作用，而是通过复杂调控网络相互作用。磷酸化、乙酰化、糖基化、泛素化和氧化修饰间的串扰共同决定蛋白质稳定性、聚集行为和细胞毒性。例如，O-GlcNAcylation降低促进tau过度磷酸化，而乙酰化可能干扰泛素介导的tau降解。PTMs作为连接淀粉样蛋白病理、tau聚集、突触衰竭和神经炎症的分子枢纽：APP在Thr668位点磷酸化促进其内吞，增强对β-分泌酶（BACE1）的可及性，有利于淀粉样蛋白生成性切割；异常N-糖基化改变APP成熟和运输，增加其在内体腔室滞留；ROS诱导的氧化PTMs通过应激反应信号通路增加BACE1表达和活性，形成前馈机制，建立病理反馈环路。tau病理是最充分表征的PTM驱动机制，tau聚集不仅由磷酸化驱动，乙酰化抑制泛素介导降解、O-GlcNAcylation降低解除对磷酸化的抑制、截断、氧化和硝化均增强tau聚集倾向和毒性，提示tau病理是协调性PTM串扰的产物而非单一修饰事件。突触功能障碍方面，过度磷酸化tau从轴突错误定位至树突腔室，破坏突触后信号复合物和谷氨酸能神经传递；可溶性Aβ寡聚体诱导N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）受体亚基和突触支架蛋白异常磷酸化，损害长时程增强（LTP）；组蛋白乙酰化降低抑制记忆相关基因转录，包括脑源性神经营养因子（BDNF）和cAMP反应元件结合蛋白（CREB）调控靶点；HDAC抑制可改善实验AD模型的突触功能和认知表现。神经炎症方面，Aβ聚集物激活小胶质细胞模式识别受体，包括髓系细胞触发受体2（TREM2）和Toll样受体（TLRs），触发NF-κB和MAPK信号通路的磷酸化依赖性激活，促进TNF-α、IL-1β和IL-6等促炎细胞因子产生；神经炎症与PTM失调形成自我维持循环。综合证据表明，PTMs作为互联调控层级运作，而非独立启动分离的病理通路；tau磷酸化具有最强的直接机制和临床证据；最具信息价值的PTM生物标志物可能是反映通路汇聚的复合特征而非孤立修饰事件。
生物标志物：Aβ42、t-Tau和p-Tau仍是验证最充分的疾病病理指标。根据最新NIA-AA框架，AD通过CSF生物标志物、PET、结构磁共振成像（MRI）、氟脱氧葡萄糖（FDG）-PET和NfL测量检测淀粉样斑块和tau病理进行生物学定义。PTM相关CSF生物标志物中，tau在苏氨酸-181（p-Tau181）、苏氨酸-217（p-Tau217）和苏氨酸-231（p-Tau231）位点的异常磷酸化在AD发病早期发生，直接反映脑内病理性tau修饰，与淀粉样蛋白病理、NFT负荷和认知下降的关联强于总t-Tau。CSF p-Tau217较传统生物标志物具有更优敏感性和特异性，可在临床症状出现前数年识别AD病理。Neurogranin与突触功能障碍相关，可溶性TREM2（sTREM2）反映小胶质细胞激活和神经炎症，CSF sTREM2水平与t-Tau和p-Tau浓度正相关。血液生物标志物方面，单分子阵列（Simoa）和基于质谱的蛋白质组学等超灵敏分析平台实现了外周血中PTM衍生蛋白的可靠检测。血浆p-Tau181、p-Tau217和p-Tau231直接反映CNS内异常tau磷酸化，与CSF生物标志物、淀粉样PET、tau PET及认知下降强相关；血浆p-Tau217是目前最准确的AD血液生物标志物之一，与淀粉样沉积、NFT形成和疾病严重程度密切相关；血浆p-Tau231有希望识别临床前AD。血浆Aβ42/Aβ40比值反映PTM调控的APP加工和淀粉样蛋白生成通路激活。定量蛋白质组学进展进一步揭示PTM衍生生物标志物组合在预测疾病发生和进展方面优于单一标志物。
外泌体与细胞外囊泡（EVs）PTM特征：EVs可包裹蛋白并保护分子货物免受细胞外降解，是疾病相关PTM特征的新型载体。2024年一项初步研究显示，AD个体CSF来源EVs中p-Tau181和p-Tau217水平与认知正常者存在差异，AD中EV p-Tau181升高、EV p-Tau217降低、EV p-Tau181/p-Tau217比值升高，而EV数量和大小无显著组间差异，提示疾病相关信号可能更多取决于EV货物组成而非总体丰度。对AD脑来源EVs的最新结构分析鉴定出与EVs相关的过度磷酸化、截断tau，并在EV群体中证实tau配对螺旋丝和直丝，支持病理性tau的选择性包装。然而，2025年一项PRISMA指导的EV生物标志物诊断准确性荟萃分析显示研究间存在显著方差和异质性，并鉴定出生物体液类型、抗凝剂使用、EV分离程序和生物标志物定量等分析前和方法学因素的重要影响，提示需方法学标准化和独立验证。
四、讨论与结论
讨论部分指出，PTMs已成为AD发病机制的核心调控因素，影响神经退行性变相关蛋白的结构、功能、聚集和清除。所讨论证据表明，包括磷酸化、乙酰化、泛素化、SUMO化、糖基化、甲基化和蛋白水解加工在内的PTMs失调，参与Aβ蓄积、tau聚集、突触功能障碍、神经炎症、线粒体损伤和神经元丢失等多种病理过程，表明PTMs并非孤立事件，而是驱动疾病起始和进展的互联分子机制。在各种PTMs中，tau磷酸化因与NFT形成和疾病严重程度的直接关联而研究最充分、临床最相关；tau乙酰化和泛素化因在调控tau稳定性、聚集和蛋白酶体降解中的作用而受到相当关注；APP异常糖基化和蛋白水解加工显著影响Aβ生成和沉积。新兴证据还提示SUMO化和甲基化可能依细胞环境发挥神经保护和神经退行性变双重效应。尽管取得重大进展，若干关键问题仍未解决：PTMs促进疾病发生和进展的时间顺序仍知之甚少；不同PTMs间复杂串扰及其对蛋白质稳态、神经元信号和神经炎症的联合效应在很大程度上仍未探索；特定PTM特征能否可靠区分AD与其他神经退行性疾病或在临床前阶段预测疾病进展仍是重大挑战。未来研究应优先采用整合蛋白质组学、磷酸化蛋白质组学、糖蛋白质组学、转录组学和先进神经影像的综合多组学方法，绘制不同AD阶段的PTM网络；需要涉及多样人群的纵向研究验证PTM生物标志物并确立其诊断和预后效用；开发靶向PTM调控酶的选择性调节剂并结合精准医学策略，可能为疾病修饰疗法提供新机会；应特别强调阐明PTM相互作用、细胞类型特异性效应和区域脑易感性，以更好理解AD病理异质性。
研究结论（原文翻译）：PTMs已成为AD发病机制的核心调控因素，影响神经退行性变相关蛋白的结构、功能、聚集和清除。本综述所讨论的证据表明，包括磷酸化、乙酰化、泛素化、SUMO化、糖基化、甲基化和蛋白水解加工在内的PTMs失调，参与Aβ蓄积、tau聚集、突触功能障碍、神经炎症、线粒体损伤和神经元丢失等多种病理过程。这些发现共同表明，PTMs并非作为孤立事件发挥作用，而是作为驱动疾病起始和进展的互联分子机制。在各种PTMs中，tau磷酸化仍是研究最充分且临床最相关的修饰，因其与NFT形成和疾病严重程度直接相关。此外，tau乙酰化和泛素化因在调控tau稳定性、聚集和蛋白酶体降解中的作用而受到相当关注。同样，APP的异常糖基化和蛋白水解加工显著影响Aβ生成和沉积，凸显其作为治疗靶点的重要性。新兴证据还提示，SUMO化和甲基化可能依细胞环境发挥神经保护和神经退行性变双重效应，值得进一步研究。总体而言，这些PTMs代表了治疗干预和生物标志物开发的有前景候选者。尽管取得重大进展，若干关键问题仍未解决。PTMs促进疾病发生和进展的时间顺序仍知之甚少。此外，不同PTMs间的复杂串扰及其对蛋白质稳态、神经元信号传导和神经炎症的联合效应在很大程度上仍未探索。另一重大挑战是确定特定PTM特征能否可靠区分AD与其他神经退行性疾病或在临床前阶段预测疾病进展。解决这些知识空白对于将PTM研究转化为临床应用至关重要。未来研究应优先采用整合蛋白质组学、磷酸化蛋白质组学、糖蛋白质组学、转录组学和先进神经影像的综合多组学方法，以绘制不同AD阶段的PTM网络。需要涉及多样人群的纵向研究来验证基于PTM的生物标志物并确立其诊断和预后效用。此外，开发靶向PTM调控酶的选择性调节剂并结合精准医学策略，可能为疾病修饰疗法提供新机会。应特别强调阐明PTM相互作用、细胞类型特异性效应和区域脑易感性，以更好理解AD病理的异质性。总之，PTMs代表了AD中动态且极具影响力的分子调控层面。更深入地理解PTM介导的机制、其相互作用及其时空分布，不仅将增进对疾病发病机制的认识，还将促进创新生物标志物和靶向治疗策略的发现。该领域的持续研究有望在改善AD的预防、诊断和治疗方面发挥关键作用。
