Tau蛋白瓜氨酸化：阿尔茨海默病tau病理的新调控机制

《Acta Neuropathologica》：Probing tau citrullination in Alzheimer’s disease brains and mouse models of tauopathy

本研究针对阿尔茨海默病(AD)中tau蛋白异常修饰的机制展开探索，发现肽酰精氨酸脱亚胺酶(PAD)介导的tau蛋白瓜氨酸化(citR tau)在AD患者脑组织和tau病小鼠模型中显著增加。研究人员开发了11种特异性citR tau抗体，证实tau蛋白可在14个精氨酸位点发生瓜氨酸化，该修饰通过改变tau电荷特性和疏水性影响其聚集动力学。研究揭示了PAD2/PAD4表达与tau病理严重程度的相关性，为理解tau蛋白病发病机制提供了新视角，对开发针对tau翻译后修饰的治疗策略具有重要意义。

　　

在阿尔茨海默病的研究领域，tau蛋白的异常聚集一直被认为是导致神经元功能障碍的关键因素。然而，除了众所周知的磷酸化修饰外，其他类型的翻译后修饰如何影响tau蛋白的病理特性仍知之甚少。近年来，科学家们开始关注一种名为瓜氨酸化的修饰方式，这种修饰通过将精氨酸转化为瓜氨酸，改变蛋白质的电荷特性，进而影响其结构和功能。

在《Acta Neuropathologica》最新发表的研究中，研究人员系统探讨了tau蛋白瓜氨酸化在阿尔茨海默病中的作用机制。他们发现，肽酰精氨酸脱亚胺酶(PAD)表达的增加与tau病理严重程度密切相关，并且tau蛋白可以在多个结构域的精氨酸位点发生瓜氨酸化修饰。这一发现为理解tau蛋白病的分子机制提供了新的视角。

为了深入研究这一问题，研究团队采用了多种技术方法：通过重组蛋白系统分析tau瓜氨酸化位点；利用质谱技术鉴定特异性修饰位点；开发系列citR tau抗体进行验证；使用硫黄素T实验评估修饰对tau聚集的影响；并利用转基因小鼠模型和AD患者脑组织进行病理分析。研究纳入了25例AD患者和10例对照的脑组织样本，以及rTg4510、PS19和4RTg2652三种tau病小鼠模型。

Peptidyl arginine deiminase expression is increased during tauopathy in AD human tissue

研究人员首先证实了AD患者脑组织中PAD2和PAD4的表达增加。免疫组化显示，PAD2主要在星形胶质细胞中表达，而PAD4则在神经元和胶质细胞中均有表达。Western blot分析进一步表明，PAD2和PAD4的表达水平与磷酸化tau(AT8)的积累呈正相关，特别是在tau病理负担较高的AD病例中。

Site-specific identification of tau citrullination by mass spectrometry

通过质谱分析，研究团队发现全长2N4R tau蛋白(441个氨基酸)的14个精氨酸位点均可被PAD2和PAD4瓜氨酸化。计算生物学分析表明，模拟瓜氨酸化(精氨酸→谷氨酰胺)会轻微增加tau蛋白的整体疏水性，同时影响其液-液相分离(LLPS)倾向和聚集潜力。

Development of a citrullinated tau antibody panel

研究团队成功开发了11种针对不同结构域citR tau表位的特异性抗体，包括N端结构域(citR5、citR23)、脯氨酸富集区(citR155、citR170、citR194、citR209、citR221、citR230)、微管结合重复结构域(citR349、citR379)和C端结构域(citR406)。这些抗体能够特异性识别经PAD4处理后的瓜氨酸化tau，而不与未修饰的tau或PAD4本身反应。

Calcium load and PAD4 expression regulate substrate specificity for citR tau epitopes

研究发现PAD4对tau不同表位的瓜氨酸化具有浓度和钙离子依赖性。高浓度PAD4(670 nM)即使在无钙条件下也能瓜氨酸化多个tau位点，而低浓度PAD4(67 nM)仅在高钙(10 mM)条件下才能有效催化某些表位的瓜氨酸化，表明瓜氨酸化的特异性受PAD浓度和钙离子水平的共同调控。

PAD2 and PAD4 expression is increased in mouse models of tauopathy

在rTg4510 tau病小鼠模型中，PAD4在疾病早期(4月龄)即显著增加，而PAD2的表达则在疾病后期(13-16月龄)上升，提示这两种PAD同工酶可能在tau病理的不同阶段发挥作用。

Induction of citrullinated tau in animal models of tauopathy

免疫组化和Western blot分析显示，除citR406外，其余10种citR tau表位在三种tau病小鼠模型(rTg4510、PS19和4RTg2652)中均显著增加，表明tau瓜氨酸化是tau病理过程中的普遍现象。

Aging analysis of tangle pathology and citrullinated tau in tauopathy mice

年龄进程分析显示，在rTg4510小鼠中，citR tau的表达随年龄增长而增加，但与磷酸化tau的积累模式存在差异。某些citR tau表位(如citR170、citR194)在疾病早期(4月龄)即出现，而其他表位(如citR230)则在后期(16月龄)才显著积累。

Biochemical analysis of phospho and citrullinated tau progression in tauopathy mice

生化分级分析表明，citR tau主要存在于可溶性和去污剂可溶性组分中，而在高度不溶性组分中的含量较低，这与磷酸化tau的分布模式形成对比，提示瓜氨酸化可能影响tau蛋白的溶解特性。

Tau citrullination in Alzheimer's disease brains

在AD患者脑组织中，citR tau与磷酸化tau共同存在于神经原纤维缠结、神经毡线和神经炎斑块中。双重标记实验显示，某些神经元同时表达citR tau和磷酸化tau，而另一些神经元则仅表达其中一种，表明这两种修饰可能既相互关联又独立发生。

本研究系统揭示了tau蛋白瓜氨酸化在阿尔茨海默病tau病理中的重要作用。研究发现不仅证实了PAD2/PAD4表达增加与tau病理严重程度的相关性，还首次证明了tau蛋白可以在多个结构域发生广泛的瓜氨酸化修饰。特别值得注意的是，瓜氨酸化会显著改变tau蛋白的聚集动力学，延长其寡聚化阶段，同时影响其液-液相分离行为。

这些发现对理解tau蛋白病的发病机制具有重要意义。首先，tau瓜氨酸化可能代表了一种独立于磷酸化的病理修饰途径，为tau蛋白病的分子分型提供了新依据。其次，瓜氨酸化对tau抗体识别的影响提示，这种修饰可能影响基于tau的免疫治疗和诊断策略的有效性。此外，PAD活性对钙离子的依赖性表明，tau瓜氨酸化可能与AD中的钙稳态失调密切相关。

该研究为开发针对tau瓜氨酸化的治疗策略奠定了基础。PAD抑制剂可能成为调节tau病理的新途径，而特异性citR tau抗体则为疾病诊断和病理监测提供了潜在工具。未来研究需要进一步阐明瓜氨酸化与其他tau修饰之间的相互作用，以及这种修饰对神经元功能的直接影响，从而为阿尔茨海默病及其他tau蛋白病的治疗提供新的思路。