综述：Tau与RNA结合蛋白的悖论：适应性应激颗粒调控如何随衰老而转变为病理过程

《Cells》：The Paradox of Tau and RNA-Binding Proteins: How Adaptive Stress Granule Regulation Becomes Pathological with Aging

　　

RNA结合蛋白（RNA-binding proteins，RBPs）是一大类通过形成生物凝聚体（biological condensates）以促进其功能的蛋白质。慢性应激（例如神经退行性疾病中发生的应激）会刺激特定的RBP凝聚体作为翻译应激反应（translational stress response）的一部分持续积累，这些凝聚体被称为应激颗粒（stress granules，SGs）。这些持续存在的SGs作为RBPs聚集形成神经退行性疾病中出现的病理结构的核心（nidus），例如肌萎缩侧索硬化症（Amyotrophic Lateral Sclerosis）中出现的TAR DNA结合蛋白（Tar DNA Binding Protein，TDP-43）。许多在SGs中积累的RBPs也与神经退行性疾病相关的突变相关联。微管相关蛋白tau是阿尔茨海默病（Alzheimer's disease）中主要的细胞内病理蛋白。Tau在应激条件下被磷酸化，并由此发挥调控SG生物学功能的作用；反之，SGs作为有毒性的tau寡聚体积累的熔炉（crucible）。Tau对应激的调控是生物学中固有的一部分，通常发生在发育和冬眠期间；然而，随着衰老，这一过程变得具有病理特征，这可能与衰老相关的蛋白质稳态（proteostasis）能力下降有关。

1. 引言

论文指出，在医疗技术先进的国家，许多人寿命超过65岁，但老年期显著增加了神经退行性疾病的风险，如阿尔茨海默病（AD）、额颞叶痴呆（FTD）、血管性痴呆、帕金森病（PD）、肌萎缩侧索硬化症（ALS）和脊髓小脑性共济失调（SCAs）等。这些疾病相关的基因突变主要涉及蛋白质稳态、炎症和RNA代谢。大多数疾病以独特的标志性蛋白聚集为特征，且这些蛋白的突变足以致病。许多标志性蛋白聚集参与RNA代谢，包括生物分子凝聚体的生物学过程。研究人员假设，应激期间生物分子凝聚体的持续存在可导致蛋白质聚集。该综述旨在阐述tau病理如何源于RNA代谢中的正常生物学过程：应激导致tau过度磷酸化和寡聚化，从而调控应激颗粒（SGs）和翻译应激反应。RBP或tau产生的蛋白质聚集体会干扰自噬溶酶体途径、线粒体途径、脂质稳态和炎症等多种功能，导致慢性应激状态。

2. 神经退行性疾病中病理的演变

疾病研究人员普遍认为蛋白质聚集体的积累驱动神经退行性变。每种神经退行性疾病都与一种或多种标志性蛋白聚集体相关，且绝大多数标志性病理蛋白的突变会增强聚集。例如，APP突变导致AD和Aβ聚集；MAPT突变导致FTD-Tau和tau神经原纤维缠结；α-突触核蛋白突变导致PD和路易小体；TDP-43突变与ALS相关；亨廷顿蛋白突变导致亨廷顿病。冷冻电镜（Cryo-EM）研究揭示了淀粉样纤维的结构和堆积机制，并显示同一聚集蛋白在不同疾病类型中的精确分子键存在差异。然而，将疾病机制归因于刚性淀粉样聚集体可能过于简化，因为许多神经退行性疾病源于不形成β-折叠结构的聚集蛋白。tau寡聚体比tau纤维对神经元更具毒性，且tau蛋白病中疾病进展速度与tau寡聚体负荷的相关性优于纤维负荷。聚集体通过三种一般机制造成损害：隔离必需蛋白质（如TDP-43的细胞质转位导致隐蔽剪接）、通过功能获得机制干扰现有蛋白质功能（如破坏RNA代谢、线粒体功能和突触功能），以及纤维状聚集体通过刺穿核膜和溶酶体膜造成损伤。热休克蛋白（HSPs）和分子伴侣调控蛋白质错误折叠和聚集，而疾病进展会导致持续性蛋白质稳态应激，形成功能不良的伴侣支架（epichaperome）。

3. 生物凝聚体与液-液相分离

与神经退行性疾病相关的大部分基因属于RBPs，包括与ALS、FTD-TDP和SCAs相关的基因。RBPs依赖液-液相分离（LLPS）形成生物凝聚体（即无膜细胞器）来介导其生理功能。这些蛋白含有低复杂度结构域（LCDs），通过氢键和Pi键等相互作用，RNA链促进含RBPs的液滴形成。疾病相关的RBPs（如TDP-43、ATXN2和FUS）容易转化为不溶性聚集体。在健康细胞中，错误折叠蛋白和寡聚体被分子伴侣识别、泛素化并通过SQSTM1和VCP等清除；然而，衰老或慢性应激损害溶酶体功能，降低清除能力，从而促进神经退行性变的恶性循环：蛋白质稳态降低增加寡聚体和不可溶聚集体水平；聚集体干扰细胞功能引起应激；应激刺激翻译应激反应，导致核RBPs（包括TDP-43、FUS、TIA1和hnRNPA2B1）转位至细胞质；细胞质RBPs形成SGs；持续SGs以高浓度聚集RBPs，促进其错误折叠、寡聚化和聚集。

4. 翻译应激反应（TSR）

细胞通过减少蛋白质合成来应对应激以节省能量。真核起始因子2（eIF2）通路是减少蛋白质合成的经典机制。eIF2α在S51位点的磷酸化阻止其与翻译复合物结合，从而终止蛋白质合成。四种激酶（PERK、PKR、GCN2和HRI）分别响应内质网应激、病毒、营养剥夺和氧化应激。磷酸化的eIF2α抑制eIF2B二聚化，阻断蛋白质合成。化合物ISRIB可结合eIF2B并稳定其二聚体，使其永久激活，绕过eIF2α磷酸化并抑制TSR，从而分散SGs。ISRIB在多种神经退行性疾病模型（包括基于TDP-43的ALS模型、基于β-淀粉样蛋白或tau的AD模型）中具有保护作用，增加突触和突触可塑性标志物，但不减少病理标志物，提示其保护作用通过刺激突触功能实现。Denali、Calico/Abbvie和Bristol Myers Squibb开发了ISRIB类似物，进入临床试验并通过I期，但在ALS的II期试验中失败。mTOR作为调节蛋白质合成的另一中枢，通过磷酸化S6激酶调节核糖体功能，并通过磷酸化ULK1、ATG13和AMBRA1调节自噬通量。雷帕霉素及其类似物（Rapalogs）在AD动物模型中进行了测试，但尚未在临床试验中显示前景，部分原因是老年AD患者溶酶体功能受损，自噬体积累。

5. 平行翻译起始通路调节慢性应激反应

真核起始因子4（eIF4）和真核起始因子3（eIF3）通路也参与疾病。EIF4G1突变与帕金森病相关。eIF3复合物与eIF2α平行调节TSR，但受到的关注较少。eIF2α磷酸化对应激反应迅速，导致整体蛋白质合成减少，核糖体蛋白是应激下减少最多的蛋白质类别。eIF2通路在应激一小时后开始恢复。eIF3d的磷酸化在应激至少一小时后积累，使关键ISR蛋白（包括mTOR、PI3K和FOXO1）得以合成。该“慢性应激”通路对葡萄糖剥夺有选择性反应，但不响应血清剥夺。eIF3复合物通过结合mRNA 5'启动子区域含有N⁶-甲基腺苷（m⁶A）修饰的位点来识别RNA靶标，从非经典起始位点刺激蛋白质合成。TSR的调节因应激类型和持续时间而异，例如TDP-43在蛋白酶体抑制时转位至细胞质，而FUS在DNA损伤时转位。

6. 应激颗粒与神经退行性疾病

RBPs是调节TSR的标志性蛋白。应激诱导RBPs的翻译后修饰，导致细胞质RBPs（如G3BP1和G3BP2）通过LLPS形成无膜细胞器。核RBPs（如TIA1）退出细胞核并参与成核。LLPS由RBPs的LCDs通过氢键、Pi键和离子键等简单化学相互作用介导。RNA与RBP复合物促进相分离，支架蛋白（如CAPRIN1和SERBP1）通过充当相邻RBPs的桥梁参与该过程。应激下蛋白质和mRNA的相分离使SGs形成调节结构，总体上降低蛋白质合成和能量消耗，促进细胞恢复力。SGs还作为对接中心，例如通过与膜联蛋白A11（Annexin A11）对接结合溶酶体，用于向突触运输；SGs也对接线粒体，并粘附于受损的溶酶体区域提供临时修补。SGs的状态随细胞条件和相分离持续时间而变化。高流动性的无膜细胞器不能传递信号，而玻璃化（vitrification）增加结构变化的传递，固化则阻断信号渗透。突触作为大型相分离细胞器，以玻璃化状态存在以传递信息。

7. RBPs中的疾病相关突变增加聚集并与疾病相关

无膜细胞器被假设与ALS和FTD-TDP43等神经退行性疾病相关，因为多个在无膜细胞器中鉴定的RBPs具有与这些疾病相关的突变。TDP-43和FUS在应激下并入无膜细胞器，疾病相关突变倾向于发生在驱动LLPS的LCDs中。研究发现，疾病相关突变增加TDP-43形成SGs的倾向，且对应激移除后含TDP-43的SGs的解散有更强的影响。TDP-43在形成病理过程中似乎经过SGs，而非留在SGs中玻璃化。其他与ALS或FTD相关的RBP突变（如TIA1、FUS、TAF-15和EWS）也作用于SG通路，增加蛋白质聚集倾向和含这些蛋白的无膜细胞器及聚集体的积累。TIA1是核心SG成核蛋白，疾病相关突变导致SGs解散能力降低，更易促进蛋白质聚集。TDP-43的病理机制最为明确：基础条件下TDP-43主要在细胞核中防止隐蔽剪接；应激导致其转位至细胞质，降低核内TDP-43水平，允许隐蔽剪接发生。STMN2和UNC13a是受TDP-43调控的隐蔽剪接的典型转录本，其缺失足以导致神经退行性变。

8. Tau与应激颗粒生物学

Tau蛋白在神经元中丰富并调节SG形成。更多tau产生更大的SGs，而较少tau使神经元对应激下的SG形成更具抵抗力。tau的磷酸化状态决定SG大小。体外研究表明tau在RNA存在下发生LLPS。tau与TIA1的LLPS液滴混溶，但随时间推移tau收缩并排除TIA1，形成凝胶状玻璃化的相分离物种。TIA1的存在刺激tau寡聚体形成和错误折叠tau的诱导，这些tau寡聚体对神经元比纤维状tau更具毒性。tau与SGs在细胞和体内相互作用，生物分子凝聚体作为有毒tau寡聚体积累的熔炉。tau经典上被认为是微管结合蛋白，在微管尖端形成生物分子凝聚体。研究人员假设tau具有额外功能：应激激酶导致的tau过度磷酸化在tau蛋白病中至关重要，但也发生在所有婴儿和冬眠动物中，这种磷酸化tau不积累为病理聚集体，可能具有生物学功能。磷酸化刺激tau快速二聚化/寡聚化，许多RBPs结合寡聚化tau，磷酸化寡聚tau（p-oTau）增强应激下SGs的形成。在具有健康蛋白质稳态机制的年轻动物中，纤维状tau被迅速清除。体内证据也支持tau调节翻译的作用：tau与核糖体蛋白（如RPS6）相互作用，并结合核内小RNA（SNOs）。

9. SGs在tau蛋白病病理生理学中的作用

衰老与蛋白酶体系统退化、线粒体效率降低、DNA损伤增加和炎症系统反应性增强相关，这些过程增强应激反应，导致蛋白质聚集体增多、应激增加和蛋白质稳态受损，最终使寡聚tau转变为纤维状tau。在人类AD脑和AD动物模型中的研究表明，病理tau在缠结形成的早中期与RBPs共定位。AD和FTD脑显示tau与多种RBPs（包括TIA1、hnRNPA2B1、Musashi、G3BP2、SRRM2等）共定位，共定位在II-IV期最大，在V和VI期较低。SGs具有两个一般功能：将mRNA隔离于活跃核糖体之外，减少丰富管家蛋白（如核糖体蛋白）的合成；作为特定应激反应蛋白合成的位点，该机制依赖eIF3识别非经典起始位点（部分由m⁶A修饰识别）。磷酸化tau与核糖体蛋白（如RPS6）结合。oTau向纤维状tau的转化导致与许多蛋白（包括RBPs）的结合减少，而内末期病理相关蛋白（如泛素、SQSTM1和VCP）与纤维状tau的结合增加。纤维化是隔离oTau的机制，神经原纤维缠结似乎比oTau毒性更低，一些证据表明含缠结的神经元实际上生理活性更高，退化迹象更少。

10. 结论

神经退行性疾病中蛋白质聚集体积累的根本问题是：在缺乏疾病相关突变的情况下，聚集体仅在衰老效应（如蛋白质稳态降低和炎症增加）显现时积累。只有少数蛋白质具有易聚集的生物物理特征并形成疾病相关的病理性淀粉样蛋白。RNA代谢和RBPs固有的生物学是导致疾病相关蛋白质聚集的主要途径之一。RBPs通过LLPS组织形成调节RNA代谢的无膜细胞器，其中SGs在应激下形成，是每种疾病的要素。SGs以高浓度聚集RBPs和RNA，持续存在时提供促进疾病相关淀粉样蛋白形成的条件。衰老或疾病导致的蛋白质稳态受损降低清除错误折叠、聚集蛋白的能力。随着淀粉样蛋白积累，它们开始自我模板化并传播进一步淀粉样蛋白形成，导致疾病。该模型为疾病相关治疗设计提供了潜在平台，ISRIB及其类似物已进入临床试验，尽管在ALS中失败，但LLPS/MO/SG通路中的其他要素正在工业界被探索，可能为神经退行性疾病带来进一步治疗创新。