神经退行疾病中的蛋白聚集体是如何逃脱蛋白质量控制的？

蛋白质聚集体是神经退行性疾病的重要特征之一。在正常情况下，蛋白质质量控制(PQC)系统会防止蛋白质错误折叠和聚集。然而，在神经退行性疾病中蛋白质不知如何逃脱了这种控制。近期Margreet B Koopman等对PQC在蛋白质聚集和神经退行性疾病中的作用进行了回顾并在《Trends in neurosciences》上发表了题为“How do protein aggregates escape quality control in neurodegeneration?”的综述文章。作者主要对聚集在阿尔茨海默病(AD)和其它tau蛋白疾病中的Tau蛋白进行了论述，并考察了淀粉样原纤维结构研究的最新进展以及通过相分离形成原纤维的过程。这些为人们理解PQC在蛋白质聚集疾病中的作用提供了新的启示。

异常折叠蛋白的积累会导致毒性和神经元死亡，是神经退行性疾病的特征之一。因此，PQC对维持神经元健康至关重要。大多数蛋白质的功能依赖于它们的氨基酸序列决定的原生结构状态：疏水的氨基酸被埋在蛋白质的疏水核心内，而极性亲水残基则面向细胞内的水环境。蛋白质除了根据本身氨基酸序列折叠为天然原生状态外，还可以以低自由能方式形成非天然折叠中间体，这可能导致蛋白质聚集体的形成（图1）。

固有无序蛋白质（IDPs）是一类特殊的没有明确3D结构的亚结构蛋白质。这些蛋白质在未折叠时具有活性，并可以在广泛的构象范围内进行构象改变，这使得它们能够参与众多调控和信号传递过程。然而，IDPs这些极易发生的构象变化也使它们更容易受到环境变化的影响。由于IDPs的疏水延展链没有埋在蛋白质核心内，因此它们更容易产生异常构象并聚集成淀粉样纤维（图1）。IDPs的疏水残基含量较少致使他们不可能采用球状的折叠结构。纤丝结构允许将少量疏水侧链聚集在一个二维层中。这些纤丝结构中相同的疏水侧链层或亲水侧链层能够上下相互作用堆叠在一起形成蛋白聚集体。这也解释了为什么原本可溶的IDPs经常存在于蛋白质原纤维中。

淀粉样蛋白纤维是几种神经退行性疾病的重要病理特征，包括AD、帕金森病(PD)和亨廷顿病(HD)。有趣的是，在这些疾病中聚集的蛋白质通常属于IDPs，如Tau蛋白、α-突触核蛋白和亨廷顿蛋白(Htt)。在这些疾病中PQC系统似乎功能丧失致使蛋白质发生聚集。在此，作者阐述了PQC系统在蛋白纤维形成中的作用以及它在神经退行性疾病中可能的故障，讨论了蛋白纤维形成的不同机制和淀粉样蛋白纤维的异质性，强调了一个功能齐全、反应充分的质量控制系统对维持细胞健康的重要性。

一个由核糖体产生的未折叠的多肽链（顶部），氨基酸序列决定了折叠后的结果。依靠天然原生氨基酸序列折叠的蛋白质被引导到天然原生折叠途径（1）；一些蛋白没有确定的三维结构（2），而是根据其功能在不同构象之间进行转换（3）。在外部影响或应激下蛋白质可能折叠为反常构象，这可能导致淀粉样纤维的形成（4，5）。

以AD作为PQC在神经退行性疾病中作用的一个例子，作者概述了在AD中的蛋白质聚集现象。AD的特征之一是微管相关蛋白Tau(MAPT)在细胞内聚集。在正常情况下，Tau具有稳定微管的细胞功能。在疾病状态下，Tau的过度磷酸化使其从微管中释放出来。这使得Tau蛋白容易聚集成所谓的神经原纤维缠结(NFTs)。在AD中，细胞内NFTs的形成通常先于细胞外含有聚集的淀粉样β蛋白斑块形成。淀粉样β蛋白的扩散开始于后扣带核、楔前叶、中颞叶和外侧眶前皮质。在中间阶段，淀粉样β蛋白扩散到除初级运动区和初级感觉区以外的等皮质区域。在淀粉样β蛋白扩散的最后阶段，该蛋白可以在初级运动区和初级感觉区积聚。Tau的传播过程始于影响记忆的大脑区域，如内嗅觉皮质和海马体；然后会逐渐通过脑内播散到其他区域，如初级运动和感觉皮质。

在所有的神经退行性疾病中，聚集蛋白都与毒性和最终的神经元退化有关。神经退行性疾病的一个共同特征是发病与年龄相关。在某些情况下，与年龄相关的发病可能与遗传因素有关。例如HD这种有明确遗传原因的疾病，其发病年龄受到Htt基因中CAG重复序列长度的强烈影响。而在AD和PD中，一部分表现为常见疾病形式的病例可与特定的遗传风险因素联系起来，但大多数患者表现为散发式发病且没有明确的遗传原因。即使在这种没有明显遗传原因的情况下，与年龄相关的发病也表明随着年龄增长而出现的细胞过程的变化（包括PQC系统效率的降低）可能是神经退行性疾病病因学中的关键因素。

在PQC系统中，可能容易受到年龄相关下降影响的组件包括分子伴侣。而在神经退行疾病中，分子伴侣的活性或水平是否下降呢？

分子伴侣是一种参与多种细胞过程的蛋白质，对细胞健康至关重要。分子伴侣协助蛋白质的折叠，是决定折叠、再折叠还是降解的关键角色。一部分蛋白质的折叠是自发的，能够不依赖于伴侣蛋白自主达到天然原始状态。然而，更复杂的蛋白质折叠通常需要依靠分子伴侣引导它们进入天然原始状态。Hsp70和Hsp90是蛋白质折叠途径中的两个主要伴侣系统。这两种伴侣蛋白都依赖于ATP，并由辅助伴侣蛋白调节以适应多种底物蛋白。辅助伴侣蛋白（如刺激ATP酶的J-结构域蛋白-JDPs和核苷酸交换因子-NEFs)能够辅助Hsp70经历结合、水解和释放的整个周期，是Hsp70正常功能运行过程中所不可缺少的。

HspP70通过清除短的疏水延展肽段与早期折叠中间体结合。值得注意的是，Hsp70并不是充当一个主动的折叠加速器，而是在生理水平上阻断该蛋白的进一步折叠。底物蛋白从Hsp70中释放出来后会继续自行折叠到天然原始状态，或者重新与另一个Hsp70分子结合。Hsp90能够打破Hsp70对蛋白折叠的阻断，通过与晚期折叠阶段特有的蛋白质肽段结合短时阻断这种重复循环。Hsp70和Hsp90都不主动折叠蛋白质也不改变折叠动力学，而是协助底物自行折叠。

Hsp70和Hsp90伴侣蛋白都能够与在疾病中形成淀粉样纤维的蛋白质相互作用（包括Tau蛋白、α-突触核蛋白和Htt蛋白），是阻止健康神经元中蛋白纤维形成的关键因素。为了进一步在分子水平上讨论伴侣蛋白与纤维蛋白的相互作用，作者接下来以Tau作为一个例子进行了说明。

Tau是淀粉样蛋白纤维形成的标志性蛋白，且不同的tau蛋白病具有不同的Tau构象（图2）。蛋白纤维的形成是一个动力学过程，会受到各种因素的影响从而形成不同的淀粉样蛋白结构。单体Tau经过翻译后选择性剪接会产生六种不同的异构体。在其序列中，Tau有四个负责与微管结合的伪重复序列。选择性剪接导致产生了具有三个(3R)或四个(4R)重复的微管结合结构域(MTBD)的异构体。

根据结合到原纤维中的Tau亚型的不同，不同的tau蛋白病可分为3R（Pick‘s病）、4R（如皮质基底性变性、进行性核上性麻痹）或3R/4R（如AD）。尽管异构体构成不同，但每种tau蛋白病的原纤维确实有一些相似之处。原纤维的构成核心是由β折叠和折叠之间的链接肽段组成。虽然原纤维核心中包含的确切氨基酸残基不同，但核心几乎完全由MTBD残基组成，即所有Tau 纤维的核心都包含了一个特定的³⁰⁵KVQIVYK³¹¹结构域。这一特定的结构域对tau的体外聚合非常重要，也是Hsp70的一个结合位点。由于在体内这一结构域可能被Hsp70伴侣蛋白所占据，因此理解这一基序在多大程度上对于Tau纤维的形成是不可或缺的就显得非常有意义。

重组肝素诱导的Tau纤维化比患者来源的纤维更短、更具活力。4R亚型可以形成四种结构不同的纤维，而3R亚型只能形成一种。3R重组纤维似乎是由两个相互堆叠的分子共同组成。体外肝素诱导的纤维核心只包含MTBD的少数残基。对于体内纤维，有序的核心包括大部分MTBD残基，而蛋白质的其余部分形成模糊的外壳。蛋白纤维核心侧翼区域的差异也可能影响原纤维的形态，从而导致Tau原纤维的多样性。由相同的单体蛋白组成的纤维结构的多样性也可以用“蛋白质形式概念”来解释。这个概念描述了同一基因产生截然不同的蛋白质的现象。例如选择性剪接和各种翻译前修饰和翻译后修饰(PTMs)等会导致形成化学结构上完全不同的蛋白质（尽管它们来自相同的基因）。这些来源于相同氨基酸序列蛋白的不同折叠形式可能组装成不同的构象，就像α-突触核蛋白那样。

Tau原纤维的结构异质性强调了多功能和充分质量控制的重要性。不同的原纤维有不同的原纤维核心结构，但也有不同的侧翼区域。除了纤维形态上的差异外，侧翼区域的差异可能会造成异常分子伴侣的招募。这会触发多种途径的毒性，可能导致神经元死亡。体内不同的Tau纤维之间的差异可能导致PQC系统对细胞的反应不同。然而，尽管有诸多不同的原纤维结构，但与其结合的仍然是相同的分子伴侣机制。

一种蛋白质可以形成完全不同的纤维结构。这一事实强化了这样一种观点，即纤维的形成容易受到环境的影响，而不仅仅是由蛋白质的氨基酸序列决定。了解什么决定了不同纤维结构的形成，以及哪些细胞质量控制过程可能参与其中，这对该领域非常重要。

液-液相分离(LLPS)在淀粉样原纤维形成方面正受到越来越多的关注。LLPS是一种全蛋白质组现象，因为大约80%的蛋白质可以发生LLPS，且大约40%的蛋白质可以进行自发的相分离。具有低复杂性结构域(LCDs)的蛋白质可驱动LLPS过程，这些蛋白质往往具有高频率的芳香族残基、精氨酸和谷氨酸。这些残基可以参与π-π相互作用，这有助于无膜细胞器的形成。

LLPS在蛋白质的组织和调控中具有多种生物学功能，如核糖核蛋白(RNP)和应激颗粒(SGs)的形成。RNPs是一种RNA和RNA结合蛋白(RBPs)的复合体，对RNA的加工和修饰至关重要。在细胞应激时，应激诱导的RNPs或SGs在细胞内形成并导致局部蛋白质浓度的增加。在健康条件下，SGs“液滴”形成一个可逆的稳定状态并在应激消除时溶解。由于SGs的内容物通常是具有LCD的蛋白质，在控制机制失效的情况下，它们容易成为蛋白聚集的来源。多个RBPs的突变，如肉瘤融合(FUS)和异质性核RNP A1(hnRNPA1)会损害SGs的再溶解。FUS和hnRNPA1突变是进行性神经退行性疾病肌萎缩侧索硬化症(ALS)的遗传风险因素之一。这提出了一个问题，即通过LLPS形成的纤维是否也在其它神经退行性疾病中起到作用？

Tau在体外可以进行相分离。作为一种IDP，Tau具有不均匀的电荷分布，这有利于分子间的相互作用并可以触发“液滴”的形成。在疾病中观察到的Tau的过度磷酸化或寡聚化加强了Tau与其中一种RNPs——TIA1的相互作用。这种相互作用促进了AD和FTDP-17动物模型中SGs的形成。这些发现提出一个问题，即Tau缠结中的TIA1是否可能是由含TIA1的“液滴”生成的纤维上的分子疤痕（图3）？

图3：纤维形成过程中的液-液相分离（LLPS）（1）细胞应激和超磷酸化时Tau从微管上脱落。（2）超磷酸化和寡聚化引发磷酸化的Tau与RNA结合蛋白（RBPs，如TIA1）相互结合。（3）TIA1等RBPs和Tau相互作用形成应激颗粒（SGs）。（4）SGs中的TIA1通过未知机制促进Tau纤维的形成和传播并引起神经退化。

根据“蛋白质形式概念”，翻译后修饰（PTMs）可以影响Tau的聚集状态。Tau作为一种IDP缺乏明确的二级和三级结构，因此更容易受到PTMs的影响。所有这些不同的修饰是否都会对原纤维的形成和毒性产生重要影响？ 研究结果显示PTM模式在不同的AD患者中似乎不同。然而，某种PTMs在特定的疾病阶段会大量出现，且似乎对疾病进展具有指示意义。此外，CBD纤维的有序核心是乙酰化和泛素化的。众所周知，乙酰化会降低蛋白质的溶解度，并可能增强tau的聚集。泛素化被认为是蛋白酶体形成和选择性自噬降解的触发因素，但也暗示了其在稳定蛋白原纤维方面发挥结构作用。如果原纤维被泛素化，而泛素化又是蛋白底物降解的触发因素，那为什么这些蛋白纤维不能被细胞降解呢？

许多细胞成分的两条主要降解途径是泛素-蛋白酶体系统(UPS)和自噬（图4）。UPS能识别需要被降解的泛素标记的底物。底物的泛素标签被识别后能被分割成更小的多肽并在细胞内循环使用。底物在被蛋白酶体加工之前，其上标记的泛素可以通过去泛素酶(DUBs)进行去除并可以回收利用。其中有三种DUBs与哺乳动物的蛋白酶体相关，因而蛋白质通过这一途径降解对细胞意义重大。

底物靶向蛋白酶体在很大程度上依赖于伴侣蛋白。Hsp70和Hsp90在蛋白酶体的降解中都很重要，且CHIP是它们共同的辅伴分子。在健康的神经元中，微管释放的tau的降解不断由Hsp90和CHIP协同介导。CHIP作为蛋白酶体的传递因子将泛素偶联到待降解的底物上。泛素阳性蛋白在蛋白质聚集体中的聚集是几种神经退行性疾病的标志，可能意味着蛋白酶体受损，这一现象在多种病例中都能被观察到。虽然泛素阳性的蛋白底物通常在降解前会被线性化，但在神经退行性疾病中蛋白酶体的狭窄孔隙和淀粉样纤维的刚性组成可能会阻碍这一点。这可能导致UPS无法降解淀粉样纤维。  

神经退行性疾病中的原纤维降解（1）蛋白酶体降解，泛素阳性蛋白底物可以被蛋白酶体降解。（2）自噬，底物识别受体识别错误折叠或聚集的蛋白质，并将其转移到自噬体中降解。自噬途径障碍可能促使蛋白质的聚集。（3）解聚，Hsp70解聚机制分解淀粉样蛋白纤维，但其分解产物可能是有毒性的并且可能具有“种子”传播性。

除了UPS，另一个主要的降解系统是自噬。这是一个保守的分解代谢过程，能够靶向与神经退行性疾病有关的聚集体。自噬有三种主要类型都聚集在溶酶体上（主要分解代谢单位）：(I)宏自噬，指的是选择性或成批移除部分细胞质；(II)伴侣介导的自噬，依赖于特定的分子伴侣；(III)微自噬，溶酶体的内陷直接隔离部分细胞质。

选择性自噬主要依赖于底物受体，它们能够对底物进行大批量的选择性分离（包括蛋白质聚集体）。底物受体p62/SQSTM1、NBR1和TAX1BP1能选择性地识别泛素化底物进行LLPS，然后在一个称为凝集吞噬的过程中靶向溶酶体。溶酶体酶适合于破坏大的分子，如蛋白质聚集体及其寡聚体前体。因此，高效的自噬可能是保持健康神经元不受蛋白纤维影响的关键。有趣的是，在AD中p62与Tau缠结共定位在一起。这种自噬受体与疾病中的纤维相关联，可能是Tau缠结或其前体降解失败的标志。

经典的伴侣介导的自噬依赖于HSC70-HSPA8和LAMP2A，而伴侣辅助的自噬(CASA)依赖于BAG3。作者团队最近对阿尔茨海默病蛋白质组的荟萃分析明确了这种辅助伴侣蛋白的主要贡献。BAG3将Hsp70系统与小热休克蛋白网络联系起来，以一种协调的方式启动对聚集体的清除。BAG3在神经退行性疾病中有特殊意义，因为它改变了老化神经元的分解代谢机制，有利于自噬而不是蛋白酶体。

虽然这两种降解系统应该能够降解淀粉样纤维或其前体，但是在神经退行性疾病中它们的有效性似乎有所降低。为什么蛋白纤维不能通过这两个系统中的一个清除？原纤维是否反映了惰性的最终阶段？或者解聚是否可以促进纤维的分解？

在体外产生的α-突触核蛋白、Htt和Tau的淀粉样蛋白纤维很容易被分子伴侣降解。哺乳动物的解聚机制（包括Hsc70-Hdj1-Apg2复合体）可以从各种蛋白质中解聚纤维。然而，关键是这在体内是否也是可行的？因为来自重组Tau和α-突触核蛋白纤维的寡聚体可能有毒性且具有传播特性（图4）。

不同的纤维结构对解聚的敏感性不同，这可能是由于纤维结构的差异造成的。来自Tau蛋白3R亚型的原纤维最容易分解，这可能与其原纤维结构最不稳定有关。Hsp70结合位点用于解聚的可用性也可能是解聚难易差异的关键。Hsp70结合部位在原纤维结构中的位置因病理差异而不同。对于α-突触核蛋白，人们已经证明Hsp70结合位点在纤维核心之外。对于Tau，根据病理情况预测的Hsp70结合位点有的位于纤维核心内部，有的位于纤维核心外部。有趣的是，尽管Hsp70位点在肝素诱导的体外纤维的核心内，但它们似乎足够活跃可以受到Hsp70介导而解聚。

在各种Tau蛋白病中是否所有种类的Tau纤维都能被分解还有待进一步阐明。考虑到原纤维的大小，这一解聚过程可能会耗费大量能源，而且分解产物的命运也不清楚。因此从细胞角度来看，这一过程是否总体上是有利的仍有待阐明。原纤维的分解可能会对神经元产生有害影响，因为可能会产生毒性分解产物或传播性的“种子”底物。考虑到低聚物中间体可能是毒性最大的底物，因此最关键的是PQC需要在纤维形成的早期阶段发挥作用而不是分解纤维结构。

神经退行性疾病通常与年龄有关，这意味着的PQC变化可能也与年龄相关。随着年龄的增长，伴侣蛋白的应激诱导受到影响，自噬和蛋白酶体降解也是如此。这些降解系统的损伤会影响对错误折叠或聚集蛋白质的清除，从而促进纤维的形成和积累。

在选择性自噬研究中，“流动性”的概念逐渐占据主流。在这一概念中，经相分离后运往溶酶体的物质单元的流动性是决定物质降解的关键。蛋白质聚集体具有令人难以置信的刚性结构，其机械强度已被证明可与钢铁相媲美。这种物理特性可能会影响最佳相分离单元的形成，从而对溶酶体的下游处理产生负面影响。

尽管与年龄相关的PQC变化可能是神经退行性疾病发生的重要事件，但相当大的一部分人在衰老时并不会产生这些病变。这表明至少在某些情况下，细胞质量控制步骤的失控参与了神经退化的过程。一项比较患病大脑和年龄匹配的对照组的转录分析显示许多Hsp70(辅助)伴侣受到抑制，而在蛋白质水平发生变化的主要是一些PQC的特定成分。在蛋白质水平上与非AD脑相比，AD组的Hsp70-BAG3-sHSP通路表达强烈上调，提示CASA激活。而所有这些成分都受热休克因子1(HSF-1)的控制。HSF-1是一种转录因子，调节细胞应激反应的基因表达。这提示我们AD可能涉及持续的、慢性的细胞应激。鉴于AD患者表现出Tau纤维的积聚， CASA的上调似乎与人们直觉理解的相反。因此尽管清除途径(如CASA)上调，但在AD中纤维聚集的事实可能表明，CASA在疾病中对抗Tau纤维积累的效率低下或变得无效。

在CASA的背景下，AD中的BAG3失衡可能反映了自噬的增强，作为消除不断增加的聚集负担的最后尝试。另一种可能的解释是，BAG3的失衡意味着系统超载，成为聚集的蛋白质组的一部分。鉴于BAG3在调节UPS/自噬溶酶体系统平衡中的主要作用，它的上调可能进一步扰乱神经元的平衡进而加剧神经退化。

除了自噬途径的作用外，HSP70-BAG3-HSPB8复合体还需要通过一种称为颗粒化的过程来溶解含有错误折叠蛋白质的异常SGs。这种伴侣介导的RNP颗粒途径在AD中强烈上调，可能表明SGs的存在。SGs的质量控制失败可能会导致凝胶状液滴和固态液滴之间的切换。泛素-2(UBQLN2)与Hsp70的相互作用可以促进SGs的降解。UBQLN2是一种泛素接头蛋白参与了SGs的分解，也在蛋白质降解中发挥作用。它通过识别与Hsp70结合的底物并将它们靶向蛋白酶体来促进底物蛋白酶体的降解。UBQLN2的突变与ALS有关，揭示了一条有趣的纤维形成的潜在途径：即缺陷的UBQLN2阻止错误折叠的蛋白质与Hsp70结合，导致靶向蛋白酶体的过程受损，从而阻止了错误折叠的蛋白质通过这一途径降解。带有这种突变的UBQLN1敲入小鼠模型会随着年龄的增长而出现包涵体和认知缺陷。除了ALS，其他神经退行性疾病也与泛素接头蛋白的功能障碍有关。UBQLN1基因的突变是AD的危险因素之一，在小鼠模型中该蛋白的过度表达可以缓解认知和运动障碍。这些途径的缺陷意味着并不是PQC系统不能发现错误折叠的蛋白质，而是在系统识别错误折叠的蛋白后不能把它们适当地引导到降解途径中。

疾病中神经元无法清除或阻止蛋白质聚集反映了质量控制的功能障碍。然而，PQC因素的作用也可能有负面影响。解聚机制异常地产生更小的、可溶的纤维碎片可能会增加聚集体对神经元的毒性。在纤维形成时聚集蛋白的相互作用会重置，从而改变结合的伴侣蛋白。可溶原纤维片段的产生可能会刺激这一过程。蛋白纤维可以劫持与各种途径有关的细胞组件，如tau纤维会损害RNA减少蛋白质翻译，可能导致使AD患者记忆丧失的细胞变化。神经退行性变性的其它特征（如轴突运输不平衡），也可以用Tau纤维相互作用的改变来解释，并可能促进细胞脱轨。这更强调了一个良好控制的PQC系统的重要性。

由于PQC机制的失效可能导致蛋白质聚集疾病的发展，因此提高PQC机制可能是一种抑制蛋白质聚集的策略。分子伴侣可以在体外解聚各种疾病相关蛋白的淀粉样纤维。对于是否可以将解聚作为治疗策略目前仍然没有定论，因为由此产生的较小片段似乎具有“种子”传播性且有细胞毒性。潜在的更合适的干预目标是在纤维形成过程的早期，如调控降解系统。

在细胞中利用辅助伴侣促进降解系统可能有助于清除寡聚体中间物，因为一些神经退行性疾病与蛋白酶体活性受损有关。CHIP是一种E3泛素连接酶，在底物靶向降解途径的过程中起重要作用，它可以识别并介导α-突触核蛋白的有毒寡聚体降解。有趣的是，在AD小鼠模型中CHIP的过度表达减少了Tau的过度磷酸化。由于AD大脑中的CHIP水平与聚集的Tau水平呈负相关，高水平的CHIP可能有助于降低Tau的聚集从而起到保护作用。清除寡聚体中间物的干预措施可以提供一条在最早阶段阻止神经变性的途径，但这种干预措施是否能带来新的治疗策略仍有待检验。

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