Cell + Science：两篇顶刊论文开发阿尔茨海默病新疗法，精准清除神经元内毒性tau蛋白

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

众所周知，在阿尔茨海默病（AD）患者的大脑神经元中，有两种主要的蛋白质会发生错误折叠并积累成聚集体——tau蛋白和β-淀粉样蛋白（Aβ）。

Aβ蛋白聚集体在神经元之间形成，FDA批准的Lecanemab等新型抗体疗法正以Aβ蛋白为靶点，通过靶向清除Aβ蛋白聚集体，缓解阿尔茨海默病的进展。相比之下，tau蛋白的“缠结”主要在神经元内部形成（当然它们也可以从一个细胞传播到另一个细胞），这与阿尔茨海默病进展过程中的认知功能下降密切相关。

治疗性抗体很难进入细胞内部并接触细胞内的tau蛋白，也就不能清除细胞内已有的tau蛋白聚集体，最多只能阻止其在细胞间扩散。其他靶向细胞内tau蛋白的治疗方法，例如反义寡核苷酸（ASO），在早期临床试验中显示出了令人鼓舞的减少细胞内tau蛋白的效果。然而，它们作用于大脑中所有的tau蛋白，也会清除“健康”的tau蛋白，而“健康”tau蛋白作为一种支架，帮助提供大脑神经细胞内的结构支持，因此，这些疗法可能具有长期副作用。

近日，剑桥大学的研究人员接连在Cell和Science期刊发表两篇研究论文，开发了两种利用TRIM21蛋白精准清除毒性tau蛋白聚集体的阿尔茨海默病新疗法，首先，该疗法能够选择性清除与阿尔茨海默病相关的tau蛋白聚集体，而不影响健康的tau蛋白，其次，该疗法能够清除体内已形成的tau蛋白聚集体，而不仅仅是阻止新的tau蛋白聚集体形成。该疗法成功改善了老年小鼠的神经退行性病变症状。此外，该方法还可以应用于其他由细胞内蛋白质聚集驱动的大脑疾病，包括运动神经元病、亨廷顿舞蹈症和帕金森病等。

发表于Cell的论文题 为：Co-opting templated aggregation to degrade pathogenic tau assemblies and improve motor function.

发表于Science的论文题为： Aggregate-selective removal of pathological tau by

clustering-activated degraders.

精准降解tau蛋白聚集体

这两篇论文中使用的靶向tau蛋白缠结的新技术，利用了英国医学研究委员会分子生物学实验室Leo James教授团队2010年发表于PNAS的研究成果 【3】 ，该研究揭示了一种名为TRIM21的独特蛋白质在免疫系统对抗病毒中的作用。

在细胞外，我们身体产生的抗体与入侵的病毒结合。当结合了抗体的病毒进入细胞时，TRIM21会检测到其存在，并将其标记为“垃圾”，然后将其交给细胞中的“垃圾槽”——蛋白酶体进行销毁。

2023年3月，该团队在Science期刊发表论文【4】，证实了TRIM21可以被重新利用来破坏阿尔茨海默病相关的tau蛋白聚集体。通过将与病毒结合的抗体替换为与tau蛋白结合的抗体，TRIM21被重新定向，将tau蛋白聚集物发送到蛋白酶体并将其破坏。

TRIM21特别适合这项工作，因为它具有一种特殊的功能——其蛋白质中的“RING”结构域只有在两个或更多TRIM21蛋白质聚集在一起时才会被激活。这意味着只有当TRIM21蛋白质与相邻的tau蛋白聚集体结合时，它才会激活并标记其目标进行破坏。

新型“特洛伊木马”疗法

在这两项最新研究中，研究团队利用TRIM21创建了两种靶向tau蛋白聚集体的新疗法。

发表于Science的论文介绍了第一种疗法“RING-nanobody”，是将结合tau蛋白的纳米抗体与TRIM21-RING融合，这些纳米抗体携带了TRIM21-RING靶向tau蛋白，当tau蛋白形成聚集体时，导致TRIM21-RING被激活，从而诱导聚集体降解。

发表于Cell的论文介绍了第二种疗法“RING- bait”，是将TRIM21-RING连接到tau蛋白本身，与RING连接的tau蛋白充当诱饵，当tau蛋白聚集物将其合并，TRIM21-RING也被合并，一旦多个“RING- bait”被合并到tau蛋白聚集体中，它们就会被激活并导致整个聚集体被降解。

初步的细胞实验显示，这两种基于TRIM21的疗法能够清除细胞中的tau蛋白缠结，而且正如预期的那样，“健康”tau蛋白没有受到破坏。

论文共同通讯作者、剑桥大学的Will McEwan教授表示，tau蛋白聚集体隐藏在脑细胞内，很难被降解。这些基于TRIM21的新疗法可以直接在细胞内递送，而大多数tau蛋白聚集体就位于细胞内。我想我们已经找到了新方法，不仅可以降解tau蛋白聚集体，还能够不影响健康的tau蛋白。这些新方法超出了目前正在临床试验的ASO疗法所能达到的效果，可以避免清除健康的tau蛋白产生的任何潜在长期副作用。

由于不同的神经退行性疾病可能有不同类型的错误折叠的tau蛋白，在这项发表于Cell的研究中，研究团队在含有tau蛋白聚集体的人类细胞上验证了这些新疗法，这些细胞来自阿尔茨海默病（AD）患者或进行性核上性麻痹（PSP）患者捐赠大脑组织，这些患者有着不同的错误折叠的tau蛋白结构。结果显示，“RING- bait”疗法能够阻止阿尔茨海默病和进行性核上性麻痹患者大脑中的蛋白质诱导的tau蛋白聚集。

论文共同通讯作者、英国医学研究委员会分子生物学实验室的Leo James教授表示，神经退行性疾病可以产生多种形式错误折叠的tau蛋白，这使得我们需要为每种疾病开发不同的治疗方法。 而“RING- bait”疗法的一个有用之处在于，由于它与tau蛋白相连，因此它是一种通用的“特洛伊木马”，可以像细胞自身的错误折叠tau蛋白一样被整合到不同类型的tau蛋白聚集体中，进而诱导tau蛋白聚集体的降解。

注：在古希腊传说中，希腊联军围困特洛伊城久攻不下，于是假装撤退，留下一具巨大的中空木马，特洛伊守军把木马运进城中作为战利品。木马中躲藏的希腊士兵打开城门，特洛伊沦陷。后人常用“特洛伊木马”（Trojan Wooden-horse）来比喻在敌方埋下伏兵里应外合的活动。

“RING-Bait”疗法改善了小鼠的行走能力

这些新疗法要想在体内发挥治疗效果，它不仅需要进入大脑，还需要进入大脑内的细胞中。为了做到这一点，研究团队使用了腺相关病毒（AAV）载体，实验结果显示，在含有tau蛋白聚集体的老年小鼠中，与安慰剂组（下图右）相比，治疗组（下图左）小鼠大脑神经元中tau蛋白聚集体（红色）显著减少。

更重要的是，在接受了“RING-Bait”疗法的tau蛋白病小鼠中，它们的神经退行性病变症状进展减缓，而且它们的运动功能得到了显著改善，治疗组小鼠的步态得到了显著改善（下图橙色），而安慰剂组小鼠保持了较差的步态（下图紫色）。

研究团队表示，“RING-Bait”的美妙之处在于其广泛的适应性，以及解决其他以病理蛋白聚集体积累为特征的疾病的潜力，例如运动神经元疾病中的TDP43蛋白聚集、帕金森病中的α-突触核蛋白聚集。因此，“RING-Bait”有望开发出直接靶向这些疾病聚集过程的未来疗法。

论文链接：

1. https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(24)00912-7

2. https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp5186

3. https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.1014074107

4. https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn1366