NEURODEGENERATIVE TAUOPATHIES
ТАУОПАТИИ

NEURODEGENERATIVE TAUOPATHIES
Virginia M-Y Lee, Michel Goedert, and John Q Trojanowski
Annu. Rev. Neurosci. 2001. 24:1121-1159.


(Рис.1.)  |  Schematic representation of the human tau gene and the six central nervous system (CNS) tau isoforms generated by alternative mRNA splicing. The human tau gene contains 14 exons, including exon (E)0, which is part of the promoter. Alternative splising of E2, E3 and E10 (gray boxes) produced the six tau isoforms. E6 and E8 (strippled boxes) are not transcribed in the human CNS. E4a (striped box), which is also not transcribed in the human CNS, is expressed in the peripheral nervous system, leading to the larger tau isoforms, termed big tau. The black bars depict the 18-amino acid microtubule binding repeats and are designated R1 to R4. The relative sizes of the exons and introns are not drawn to scale.

(Рис.2.)  |  Schematic representation of Western blot banding patterns of insoluble and soluble tau form different tauopathies. The cartoon depicts the typical banding pattern of nondephosphorylated and dephosphorylated insoluble (filamentous) tau (top panels) as well as soluble tau (bottom panels) from brains of patients with the diseases. Nondephosphrylated insoluble tau from the brain of patients with Alzheimer's disease (AD) and some frontotemporal dementia and parkinsonism linked to chromosome 17 (FTDP-17), mutations that do not affect splicing (V337M and R406W), runs as three major bands of 68, 64 and 60 kDa and as a minor, variable band of 72 kDa. When dephosphrylated, it resolves into six bands that correspon to soluble tau. In corticobasal degeneration (CBD) and progressive supranuclear palsy (ЗЫЗ)б as well as FTDP-17 with the P301L mutation, the two prominent 68, 64-kDa insoluble tau bands are detected (the 72-kDa minor band is variably detected) and align with four tandem repeat sequences (4R-tau) following dephosphorylation. The soluble fraction shows all six isoforms, indicating that there is selective aggregation of 4R-tau. In contrast, in FTDP-17 mutations that affect mRNA splicing, there is expression of predominantly soluble 4R-tau throughout ноу утешку brain. Only 4R-tau is deposited in filamentous form. In Pick's disease (PiD) and some FTDP-17 mutations 9K257T, G389R) that do not affect splicing, the lower two 64- and 60-kDa insoluble tau bands predominate. following dephosphorylation, a predominance of 3R-tau is observed. All six tau isoforms are expressed in the soluble fraction in PiD. Major tau proteins are depicted by solid bars and the thickness of the bars correlates with the relative abundance of the specific tau isiform. A dashed bar is used to depict the minor, and more variable, 72- and 68-kDa tau isoforms.

(Рис.3.)  |  Schematic representation of mutations in the tau gene identified in frontotemporal dementia and parkinsonosm linked to chromosome 17. The longest human brain tau isoform is shown with known coding region mutations indicated above. The gray boxes near the amino terminus represent the alternatively spliced inserts encoded by exons (E)2 and E3, whereas the black boxes represent each of the four microtubule (MT) binding repeats (not drawn to scale). The second MT binding repeat is encoded by E10. Part of the mRNA sequence encoding E10 and the intron following E10 is shown. Mutations in E10 and the downstream intron are indicated. Intronic nucleotides that are part of intron 10 are shown in lower case.

(Рис.4.)  |  Model of disease pathways in tauopathies. Mutations and/or polymorphisms in the tau gene in conjunction with enwiromental and additional genetic factors initiate pathogenic processes that cause regional and cell type-specific tau pathology and neurodegeneration, thus leading to specific clinicopathologic phenotypes. PiD, Pick's disease; CBD, corticobasal degeneration; PSP, progressive supranuclear palsy; FTDP-17, frontotemporal dementia and parkinsonism linked to chromosome 17.



Sadqi, M. et al. α-Helix structure in Alzheimer's disease aggregates of tau-protein. Biochemistry 41, 7150-7155 (2002) | Article | PubMed | ISI
Перевод И.Г. Лильп


Многие неврологические расстройства характеризуются образованием аномальных белковых агрегатов, при которых белки имеют тенденцию приобретать β-sheet структуру. Этот факт лег в основу предположения о том, что образование β-sheet структуры может быть общим механизмом развития агрегатов при таких заболеваниях как болезнь Альцгеймера и трансмиссивная губчатая энцефалопатия. Однако новые данные, полученные Sadqi et al. (Biochemistry, 2002, 41,7150-7155) показали, что имеется, по крайней мере, одно важное исключение. Авторы сообщили, что paired helical filaments (PHFs), являющиеся основными внутринейронными агрегатами при болезни Альцгеймера, имеют α-спиральную конформацию.
tau белок является главной составляющей PHFs. Предварительные данные показали, что tau не имеет нормальной структуры в растворе. Более ранние попытки определить структуру PHFs, выращенных in vitro, или изолировать их из мозговой ткани, обнаружили сходное отсутствие какой-либо структурной упорядоченности. Sadqi et al. изолировали PHFs непосредственно из мозга людей с болезнью Альцгеймера и определили их структуру методом Fourier преобразованной инфракрасной спектроскопии в сочетании с дальним ультрафиолетовым circular dichroism. Оказалось, что PHFs содержит α-спирали, которые, судя по их резистентности к перевариванию протеазами и термической денатурации, являются абсолютно стабильными. Авторы также предоставили доказательства, что α-спиральная конфигурация PHFs является гомогенной. Получив circular-dichroism спектр во время термической денатурации, они обнаружили, что гомогенная структура PHFs исчезала, но признаки β-sheet, даже в сердцевине агрегатов, отсутствовали.
Т.к. tau белок не имеет нормальной структуры в растворе, полученные данные означают, что α-спиральная конфигурация PHFs возникает, главным образом, в результате protein-protein взаимодействия. Остается только объяснить, каким образом происходят такие структурные изменения. Более значимыми являются данные авторов, указывающие, что образование α-спирали может быть тем механизмом, в результате которого формируются белковые агрегаты. Важно определить, насколько широко распространен такой механизм при других неврологических заболеваниях.

Encyclopedia of Life Sciences: Alzheimer disease | circular dichroism: studies of proteins | protein structure classification
Заболевания, которые характеризуются нейропатологически накоплением внутри клеток аномальных филамент, формируемых ассоциироваванным с микротрубочками белком tau имеют общие механизмы, Они известны как нейродегенеративные тауопатии (tauopathies)(Табл.1).

Table 1 Disease with tau-based neurofibrillary pathology
Alzheimer's disease
Amyotrophic lateral sclerosis/parkinsonism-dementia complex*
Argyrophilic grain dementia*
Corticobasal degeneration *
Creutzfeldt-Jakob disease
Dementia pugilistica*
Diffuse neurofibrillary tangles with calcification*
Down's syndrome
Frontotemporal dementia with parkinsonism linked to chromosome 17*
Gerstmann-Straussler-Scheinker disease
Hallervorden-Spatz disease
Myotonic dystrophy
Niemann-Pick disease, type C
Non-Guamanian motor neuron disease with neurofibrillary tangles
Pick's disease*
Postencephalitic parkinsonism
Prion protein cerebral amyloid angiopathy
Progressive subcortical gliosis*
Progressive supranuclear palsy*
Subacute sclerosing panencephalitis
Tangle only dementia*
*Disease in which tau-positive neurofibrillary pathology are the most predominant neuropathologic feature

Несмотря на их различия фенотипического проявления, дисфункции головного мозга и дегенерации, все они связаны с прогрессивным накоплением филаментозных tau включений. Открытие множественных мутаций в гене tau при frontotemporal dementia and parkinsonism linked to chromosome 17 (FTDP-17) явилось доказательством того, что лишь одних аномалий tau достаточно, чтобы вызывать нейродегенеративную болезнь.

STRUCTURE, FUNCTION, AND MOLECULAR GENETICS OF TAU
Tau белки являются низко Mr ассоциированными с микротрубочками белками, которые обильны в ЦНС, преимущественно в аксонах астроцитов и олигодендроцитов но встречаются и в нейронах ПНС. Белки tau у человека кодируются единственным геном, содержащим 16 аксонов, на хромосоме 17q21. Его ЦНС изоформыобразуются в результате альтернативного сплайсинга мРНК(Рис. 1). В головном мозге взрослых людей после альтернативного сплайсинга в экзонах Е2, Е3 и Е10 возникает 6 tau изоформ от 352 до 441 аминокислоты в длину, которые отличаются присутствием или трех (3R-tau) или четырех (4R-tau) C-терминальных тандемных посторов по 31 или 32 аминокислоте каждый, которые кодируются Е9, Е10, Е11 и Е12. Дополнительно триплеты 3R-tau и 4R-tau изоформ отличаются и результатами альтернативного сплайсинга в Е2 и Е3, в результате возникают tau изоформы без (0N) или с 29 (1N) или 58 (2N) аминокислотными вставками неизвестной функции. В головном мозге взрослых людей соотношение 3R-tau и 4R-tau изоформ ~ равно 1, но изоформы 0N,1N,2N представлены 54%, 37% и 9%, соотв. Помимо альтернативного сплайсинга tau регулируются онтогенетически, так что только самые короткие tau изоформы (3R/0N) экспрессируются в головном мозге плодов, тогда как все 6 изоформ присутствуют в постнатальном перриоде. В ПНС включения Е4а в N-терминальную половину обеспечивают экспрессию высоко Mr белков, названных big tau.
Известно, что tau связывается с и стабилизирует микротрубочки (МТ), кроме того способствует полимеризации МТ. МТ связывающие домены в tau локализованы в С-терминальной половине молекулы внутри четырех МТ связывающих мотивов. Эти мотивы состоят из высоко законсервированных 18-аминокислотных связывающих элементов, разделенных флексибельными, но менее законсервированными, вставочными (interrepeat) повторами длиной 13-14 аминокислот. Связывание tau с МТ является сложным процессом, обеспечиваемым частично флексибельными набором слабых МТ свзывающих сайтов, которые распределены по всему МТ связывающему домену, очерченные с помощью этих повторов, с их вставочными последовательностями. Кроме того, последовательности, фланкирующих повторов вносят вклад в связывание микротубочек. 4R-tau изоформы более эффективны в обеспечении сборки микротрубочек и обладают более высоким связывающим сродством, чем изоформц 3R-tau. Вставочные (interrepeat) последовательности между первым и вторым МТ связывающими повторами обладают более чем вдвое более высоким связывающим сродством. Эта область уникальна для 4R-tau изоформ и, как полагают, ответственна за более высокое МТ связыающее сродство этих изоформ. Т.к. и др.. ассоциированные с микротрубочками белки, возможно выполняют сходные функции, то возможно, что они м. компенсировать нехватку или потерю tau.

TAU PHOSPHORYLATION and REGULATION of TAU FUNCTIONS


Имеется 79 потенциальных сериновых (Ser) и треониновых (Thr) фосфат акцепторных остатков в самой длинной из tau изоформ, а фосфорилирование примерно 30 из этих сайтов описано в нормальных tau белках. Фосфорилирование tau онтогенетически регулируется, так что плодные tau наиболее высоко фосфорилированы в эмбриональной по сравнению со взрослой ЦНС, а степень фосфорилирования всех 6 изоформ снижается с возрастом, возможно благодаря активации фосфатаз. Фосфорилирование tau сайтов образует кластеры в областях, фланкирующих МТ связывающие повторы, а повышение фосфорилирования tau негативно регулирует МТ связывание. Значение индивидуальных сайтов в tau для регуляции связывания МТ активно обсуждается. Так, фосфорилирование Ser262 внутри первого МТ связывающего домена, как полагают, играет доминирующую роль в редукции связывания tau с МТ. Сходную роль, по-видимому, играет и фосфорилирование Ser396, который локализован рядом с С-терминальным концом четвертого МТ связывающего домена, однако др. данные указывают на то, что фосфорилирование ни в одном из этих сайтов недостаточно, чтобы элиминировать связывание tau с МТ. Интересно, что оба сайта фосфорилированы в фетальных tau и что они гиперфосфорилированы во всех 6 tau изоформах, которые формируют аномальные paitred helical filaments (PHFs) в neurofibrillary tangles (NFTs) в головном мозге при б-ни Алцгеймера. Связывание tau с МТ м. регулироватья сайтами и вне МТ связывающих повторов. Напр., считается, что гептапептидная последовательность (244KKVAVVR230), локализованная вдомене, богатом пролином, N-терминальнее МТ связывающих доменов, способствует МТ связыванию вместе с повторяющимися областями. Очевидно, что фосфорилирование во множественных сайтах, особенно в тех, которые окаймляют МТ связывающие повторы, а также внутри- и межмолекулярные взаимодействия, регулируют функцию tau по связыванию МТ. Мало известно о регуляции фосфорилирования tau. Описано усиление фосфорилирования tau в Ser202/Thr205 у мышей с отсутствием Reelin или очень низкой плотности липопротеинового рецептора, так и аполипопротеинового Е рецептора 2. Это указывает на то, что фосфорилирование тирозина с помощью disabled-1 adaptor protein м. играть роль в регуляции уровня фосфорилирования tau.
Большое количество Ser/Thr протеин киназ участвуют в регулдяции tau функций in vivo. Эти киназы включают митоген-активируемую протеин киназу, glycogen synthase kinase 3β, cyclin-dependet kinase 2 (cdk2), cAMP-dependet protein kinase, Ca2+/calmodulin-dependet protein kinase и MT-affinity regulating kinase. Кроме того, некоторые члены семейства стресс-активируемых протеин киназ также фосфорилируют tau во многих местах.
GSK-3β является Ser/Thr киназой, которая обильна в головном мозге и ассоциирует с МТ. Котрансфекция ненейрональных клеток tau и GSK-3β человека вызывает гиперфосфорилирование tau? что ассоциирует с потерей МТ связывания. В культивируемых нейрональных клетках GSK-3β обусловленное фосфорилиование tau ингибируется инсулином и IGF-1 посредством phosphatidylinositol 3-kinase и protein kinase B-зависимых сигнальных путей. Кроме того, прямое ингибирование GSK-3β солями лития или АТФ competitive ингибиторами снижает фосфорилирование tau bи атрагивает стабильность МТ. Cdk5 является Ser/Thr протеин киназой ею сильно обогащены нейроны, в которых она колокализуются с цитоскелетом и участвует в фосфорилировании tau. Комплексы cdk5 с tau связанные с фосфорилированием tau, так что tau закрепляет cdk5 на МТ. Более того cdk5 обусловленное фосфорилирование tau стимулирует дальнейшее фосфорилирование с помощью GSK-3β.
N/r/ протеин фосфатазы необходимы для балансировки эффектов на tau протеин киназ, то они также исследованы были интенсивно. Выявлено участие нескольких фосфатаз в регуляции фосфорилирования tau? включая РР1, РР2А, РР2В и РР2С. Все они дефосфорилируют tau in vitro с перекрывающейся специфичностью, однако, их роль in vivo неясна. И РР2А и РР2В присутствуют в тканях головного мозга человека и дефосфорилируют tau сайт-специфически. Обе дефосфорилируют Ser396, тогда как РР2А кроме того дефосфорилирует tau во многих дополнительных местах. В головном мозге крыс РР2А осуществляет основную активность в отношении tau. РР1 и РР2 связываются с tau и это взаимодействие, по-видимому, обеспечивает ассоциацию с МТ. Показано, также, что РР2А связывается непосредственно с МТ. Наконец, ингибирование РР1 и РР2А с помощью окадиковой кислоты в культивируемых NT2N нейронах человека вызывает усиление фосфорилирования tau, сопровождаемое снижением связи tau с МТ, избирательной деструкцией стабильных МТ и быстрой дегенерацией аксонов.

AD NEUROFIBRILLARY PATHOLOGY is MADE OF ABNORMALLY PHOSPHORYLATED TAU


Филаментозные нейрональные или нейрональные и глиальные tau включения ассоциированные с дегенерацией затронутых областей головного мозга определяют нейропатологические свойства tauptathies. При Alzgeimer's diseases (AD), NFTs и neuropil thread патологии они обнаруживаются вместе с отложениями β-amiloid (Aβ) фибрилл во внеклеточных пространствах. При световой микроскопии нейрофибриллярные повреждения при AD являются paitred helical filaments (PHFs) и прямыми филаментами. PHFs состоят из двунитчатых филамент, закрученных вокруг др. др. с периодом в 80 nm и с варьирующей толщиной от 8 до 20 nm, тогда как прямые филаменты состоят преимущественно из аномально гиперфосфорилированных tau белков. Анализ PHFs, очищенных из головного мозга пациентов AD обнаруживают три больших полосы примерно в 68, 64 и 60 кДа и минорной полосы примерно в 72 кДа. (Рис. 2). После дефосфорилирования обнаруживается 6 полос, которые соответствуют 6 изоформам tau взрослого головного мозга человека. Относительные пропорции tau изоформ в AD PHFs сходны с таковыми для растворимых tau изоформ из нормального головного мозга. Многие места фосфорилирования в PHFtau идентифицированы, очевидно, что PHFtau являются гиперфосфорилированным и аномально фосфорилированными.
Многочисленные протеин киназы и протеин фосфатазы участвуют в нарушении регулировки фосфорилирования в AD головном мозге. Предполагается, что cdk5 м. играть специфическую роль в этом процессе. Показано, что р25, укаороченная форма р35, накапливается в нейронах головного мозга AD пациентов. Кальций-зависимая цистеин протеаза calpain, как полагают, генерирует р25 из р35. Накопление р25 коррелирует с повышением активности cdk5 киназы и связыванием р25 с cdk5 постоянно активированной cdk5. Наконец, экспрессия cdk5/p25 комплекса в различных линиях клеток увеличивает фосфорилирование tau и разрушают цитоскелетные сети. Возможно, что cdk5/p25 комплекс м. играть механическую роль в конверсии нормального tau в PHFtau у AD.
Механизмы, лежащие в основе образования PHFs в нейронах все еще неясны, но возможно, что гиперфосфорилирование отсоединяет tau от МТ, увеличивая тем самым пул несвязанных tau. Эти tau м.б. более резистентными к деградации и более склонными к агрегации. Этот подтверждается усилением способности патологических tau взаимодействовать с МТ. Органический osmolytes trimethylamine N-oxide и betaine усиливают tau-опосредованную сборку МТ. Tau высоко изменчивые удлинненые молекулы с небольшой вторичной структурой. С помощью circular dichroism spectroscopy они выглядят как случайно скрученными, даже если несут FTDP-17 мутации, или в присутствии trimethylamine N-oxide. Связывание tau с МТ генерирует некие упорядоченные структуры, указывающие на то, что МТ м. индуцировать конформационные изменения в tau. Trimethylamine N-oxide и betaine, по-видимому, индуцируют тубулин и/или tau конформационные изменения, что способствует сборке.
Установлено, что prolyl isomerase Pin1 связывается с одиночным фосфотреониновым остатком (Thr231) в tau и что это восстанавливает способность tau быть фосфорилированным с помощью cdc2 киназы, чтобы взаимодействовать с МТ. Pin1 очищается вместе с PHFs? вызывая истощение растворимого Pin1 в AD головном мозге. Т.к. истощение Pin1, как полагают, индуцирует митотический арест и апоптическую гибель клеток, его секвестрирование в NFTs должна вносить вклад в нейродегенерацию.

SYNTHETIC TAU FILAMENTS


Гиперфосфорилирование, как полагают , является ранним событием на пути, который ведет от растворимого к нерастворимому и филаментозному tau белку. Пока нет экспериментальных подтверждений связи гиперфосфорилирования tau со сборкой филамент. Ранние эксперименты показали, что PHF-подобные филаменты м.б. собраны in vitro из бактериально экспрессируемых нефосфорилированных 3R фрагментов tau. Это подтверждает, что повторяющиеся области tau являются единственным необходимым компонентом для морфологического появления PHF.
В последующих экспериментах с использованием sulphated glycosaminoglycans (GAGs) для стимуляции фосфорилирования tau с помощью ряда протеин киназ привело к наблюдению, что сульфатированные GAGs индуцирудт сборку tau полной длины в филаменты. Сборка индивидуальных 3R-tau изоформ дает филаменты с типичной paired-helical-like морфологией, если инкубируются с гепарином или гепаран сульфатом, тогда как сборка из индивидуальных 4R-tau изоформ дает филаменты с прямым фенотипом. Короткие аминокислотные последовательности (VQIVYK) в третьем МТ-связывающем повторе tau являются важными для индуцируемой гепарином сборки филамент.
Сборка tau в филаменты в присутствии султфатированных GAGs происходит после лаг-периода и сильно зависит от концентрации, это согласуется с нуклеотид-зависимыми процессами. Фосфорилирование tau по Ser/Thr/Pro сайту недостаточно влияет на индуцированную гепарином сборку. Однако, фосфорилирование в др. сайтах, таких как Ser214 и Ser262? строго ингибирует сборку. РНК и arachidonic кислота также индуцируют массовую сборку рекомбинантного tau полной длины в филаменыт. Патологическая колокализация сульфатированных GAGs и РНК с гиперфосфорилировавнными tau белками указывает на то, что эти находки м. иметь отношение к сборке tau при AD.

SPORADIC TAUOPATHIES


Предложена гипотеза амилоидного каскада патогенеза AD, согласно которой отложения и фибриллизация Aβ для образования внеклеточных сенильных бляшек является центральным событием, которое вызывает образование NFTs и нейрональную потерю. Подтверждения получены на др. тауопатиях с обильными филаментозными tau и дегенерацией головного мозга в отсутствие внеклеточных амилоидных отложений (Табл.1)( Progressive supranuclear palsy (PSP), corticobasal degeneration (CBD) и Pick's disease (PiD)). Все они недавно были отнесены к группе болезней frontotemporal dementia (FTD). Клинически PSP характеризуется supranuclear gaze palsy, а также выраженной postural нестабильностью. Нейропатологически PSP характеризуется атрофией базальных ганглиев, субталямуса и ствола головного мозга с соответствующими потеряминейронов и глиозом. В этих областях головного мозга обнаруживается высокая плотность фибриллярной tau патологии, включая neuropil threads и NFTs, обычно округлых или шаровидных. Глиальные фибриллярные tangles в астроцитах (tufted астроцитах) и олигоденроцитах (coiled тельцах) также часто присутствуют. В отличие от AD ультраструктурный анализ этих нейрофибриллярных повреждений выявил 15- до 18-нм прямые филаменты и филаменты с длинной периодичностью.
Филаментозная tau патология PSP коррелирует с биохимической идентификацией нерастворимых, гиперфосфорилированных tau в поврежденных областях головного мозга. Однако, в противоположность трем основным полосам, идентифицированным при AD, присуствуют только две high Mr полосы (68 и 64 кДа). Минорная в 72 кДа полоса обнаруживается лишь иногда (Рис. 2). Эти полосы представлены гиперфосфорилированными tau изоформами с 4 МТ повторами. Они обладают теми же самыми профилями зависимых от фосфорилирования tau эпитопов, что обнаруживаются в PHFtau из AD головного мозга. Более того, при PSP относительные количества tau мРНК , содержащих Е10, увеличиваются в стволе головного мозга, но не в коре, что согласуется с распределением нейрофибриллярной патологии.
Полиморфизм в гене tau м. вносить вклад в риск развития PSP, т.к. полиморфные динуклеотидные повторы в интронах между Е9 и Е10 гена tau сцеплены с PSP. Субъекты с гомозиготным tau аллелем А0 характеризуются 11 ЕП повторами, обнаруживаются в большом избытке среди PSP пациентов (95.5%) по сравнению с 54% в контроле и с 49.7% у AD пациентов. Более того, два расширенных гаплотипа гена tau , состоящие из 8 общих одно0нуклеотидных полиморфизмов в добовление к полиморфизну по динуклеотидным повторам. Гаплотипы находятся в полном неравновесном сцеплении и распределены по всему гену tau человека. Более общий гаплотип, Н1, достоверно присутствует в избытке у белых с PSP. В дополнение, две миссенс мутации в Е4а ассоциированы с Н1 гаплотипом и сцеплены с PSP, а делеция в 238 п.н. в интроне, фланкирующем Е10 гена tau, наследуется как часть менее распространенного Н2 extended гаплотипа и тем самым обнаруживает негативную ассоциацию с PSP. Взаимоотношения Н1 гаплотипа и А0 аллеля в патогенезе PSP неизвестны, но возможно, что делеция в 238 п.н., фланкирующая Е10 в Н1 гаплотипе м. затрагивать сплайсинг Е10, увеличивая тем самым относительную пропорцию 4R-tau.
CBD является начинающимся у взрослых прогрессивным нейродегенеративным нарушением, затрагивающим кору мозга, глубокие ядра мозжечка и субстранцию nigra, вместе с выраженной нейрональной achromasia . Выявляется депигментация субстанции nigra? а также асимметричная фронтопариетальная атрофия, которая часто наиболее тяжелая в пре- и постцентральных областях. В затрагиваемых регионах обнаруживается потеря нейронов со спонгиозом, глиозом и и выраженной глиальной и нейрональной внутрицитоплазматической филаментозной tau патологией. Глиальная tau патология при CBD представлена характерными астороцитарными бляшками, а также многочисленными tau-иммунореактивными включениями в белом веществе как у астроцитов,так и олигодендроцитов (coiled тельца). Важным признаком CBD является экстенсивное накопление tau-иммунореактивных neuropil нитей по всему серому и белому веществу. AbkФиламенты при CBD включают как PHF-подобные филаменты, так и прямые трубочки.
Биохимические профили нерастворимых tau при CBD сходны с таковыми при PSP? тем, что они состоят их двух основных полос в 64 и 68 кДа и вариабельную минеорную полосу в 72 кДа (Рис. 2). Однако, изоформы, присутствующие в tau патологии при CBD м. отличаться от тех, что найдены при PSP. Недавние исследования продемонстрировали, что фибриллярные включения при CBD состоят преимущественно из 4R-tau изоформ, которые содержат также вставки, кодируемые Е2 и Е3. Еще одним сходством между PSP и CBD является то, что CBD также ассоциировано с А0 аллелем гена tau и с Н1 гаплотипом. Следовательно, строго подтверждается, что имеется существенное перекрывание между PSP и CBD. Это касается и клинических и патологических признаков. Это м.б. два различных фенотипических проявления одного и того же болезненного процесса.
PiD, вариант FTD, определяется нейропатологически присутствием tau-иммунореактивных Pick телдец. Он характеризуется фронтотемпоральной lobar и limbic атрофией, ассоциированной с заметной потерей нейронов, спонгиозом и глиозом с ballooned нейронами и Pick тельцами. Последние обнаруживаются с помощью антител к гиперфосфорилоированным tau и наиболее многочисленны в слоях II и VI неокортекса и в dentate гранулярных нейронах гиппокампа. Ультраструктурно Pick тельца представлены смесью широких прямых филаент и широких с длинным периордом скрученных филамент.
Выявлено, что нерастворимые tau при PiD отличны от таковых при AD, CBD и PSP тем, что представлены двумя большими полосами в 60 и 64 кДа и вариабельного минорного диска в 68 кДА. Т.к. две мажорные полосы tau при PiD, по-видимому, лишены МТ связывающего повтора, кодируемого Е10, они, как полагают, представлены исключительно 3R-tau. Ser262 не фосфорилируется в отличие от AD, SPS или CBD. Однако? обнаружен сигнал в тельцах Pick и PiD tau с помощью антител, специфичных к фосфорилированному Ser262. Это м. отражать гетерогенность фосфорилирования Ser262 при PiD.
В противоположность PiD большинство пациентов с FTD обнаруживает фронтотемпоральную потерю нейрпонов, глиоз и микровакуолярные (губчато-подобные) изменения, но не имеет специфичных для болезни диагностических повреждений. По нейропатологическим признакам она выступает под разными именами, включая frontotemporal lobar degeneration (АЕДВ) и dementia lacking distinctive histology (ВДВР), но не используется более подходящая номенклатура для этой формы FTD. Однако, недавно получены доказательства того, что FTLD(DLDH) м.б. новой тауопатией, которая обусловливается селективной редукцией или полной потерей всех 6 изоформ tau мРНК. Хотя большинство FTD пациентов с FTLD(DLDH) нейропатологией обнаруживает драматическую потерю tau белка в областях головного мозга с и без дегенерации нейронов, др. обнаруживюат менее существенную, но все еще статистически значимую потерю уровня tau в головном мозге. Хотя патогенетический механизм, лежащий в основе этой заметной потери все 6 tau белков в головном мозге при FTLD(DLDH) неизвестен, последствия этой потери м.б. сходными с потерями функции tau в результате некоторых генных мутаций tau при FTDP-17.

FAMILIAL TAUOPATHIES -- ftdp-17 SYNDROMES


Группа синдромов, известная как FTDP-17? представлена аутосомно-доминантно наследуемыми нейродегенеративными заболеваниями с различными, но перекрывающимися клиническими и нейропаологическими признаками. Все они обнаруживают присутствие многочисленных филаментозных tau патологий в нервных клетках и в некоторых глиальных клетках. Первой такой патологией, сцепленной с хромосомой 17 было семейное заболевание "disinhibition-dementia-parkinsonism-amyotrophy complex" (17q21-22). Затем выявлены и др. FTDP-17 синдромы, что, по-видимому, отражает издержки tau патологии и дегенерации регионов головного мозга, связанных со специфической познавательной, исполнительной или моторной функцией. Несмотря на фенотипическую гетерогенность нейропатология FTDP-17 характеризуется заметной потерей нейронов в затронутых регионах головного мозга с экстенсивной нейрональной или нейрональной и глиальной фибриллярной патологией, представленной гиперфосфорилированным tau белком, но без признаков отложения Aβ или др. болезнь-специфических повреждений головного мозга в большинстве случаев.
Т.к. ген tau локализован на хромосоме 17q21-22, то он является очевидным кандидатом. Выявлены мутации в гене tau, которые сегрегируют вместе с FTDP-17. Идентифицировано более 20 патогеных мутаций в гене tau в большом количестве семей с FTDP-17 (Табл. 2, Рис. 3). 11 миссенс мутаций в кодирующих регионах гена tau, включая мутации в Е9 [K257T, I260V и G272V] в Е10 [ N279K, P301L, P301S и S305N] в Е12 [V337M] и в Е13 [G389R и R406W]. А также были идентифицированы три молчащие мутации в Е10 [L284L, N296N и S305S] и делеционные мутации [&DeltaK280]. Кроме того пять замен в 6 различных позициях интрона, сопровождающего Е10, идентифицированы в позициях +3, +12, +13, +14 и +16. Т.к. мутации в интроне, сопровождающим Е10, патогенны, то и в др. интронах гена tau они возможны. Так, мутации в интроне, сопровождающем Е9, описаны у пациентов с семейной FTD. Они разрушают один из нескольких (A/T)GGG повторов, которые м. играть роль в регуляции альтернативного сплайсинга в Е10.
Интронные и некоторые экзонные мутации затрагивают альтернативный сплайсинг в Е10 и тем самым нарушают относительную пропорцию 4r-tau и 3R-tau. Др. экзонные мутации также способствуют сборке tau в филаменты. Более того, дополнительные механизмы м. играть роль в случае некоторых мутаций в кодирующей области. Интронные мутации кластируются около 5' сплайс-сайта Е10, а также некоторые мутации внутри Е10 (N279K,L284L,N296N,S305N,S305S), увеличивают соотношение 4R-tau к 3R-tau путем изенения сплайсинга Е10. В результате этих мутаций наблюдается относительное увеличение Е10-содержащих tau мРНК и это, по-видимому. отражает повышенное использование Е10 5' сплайс-сайта. Биохимические исследования нерастворимых tau, выделенных из аутопсированнгого FTDP-17 головного мозга с этими мутациями выявляет исключительно 4R-tau изоформы. Более того, уровень белка 4R-tau увеличивается как в затронутых, так и незатронутых регионах головного мозга FTDP-17 пациентов.
Регуляция сплайсинга Е10 гена tau сложна и м. вовлекать множественные цис-действующие регуляторнные элементы, которые или усиливают или ингибируют использоввание Е10 5' сплайс-сайта, многие из которых затрагиваются мутациями, идентифицированными в гене tau. CgkfqcСплайсинг рующие элементы внутри Е10, по-видимому, включены в exon-splicing enchancer (RESE) и axon splicing silencer (ESS). ESE состоят из трех доменов, мощного SC35 связывающего элемента, богатых пуринами последовательностей и последовательностей, богатых АС. Непосредственно ниже ESE в Е10 является богатый пуринами ESS. Фланкирующие экзоны в гене tau также, по-видимому, влияют на сплайсинг Е10. Напр., кажется, что Е9 и Е11 вызывают противоположные эффекты, так Е9 м. способствовать сплайсингу Е10, тогда как Е11 м. супрессировать его. Наконец, интронные последовательности непосредственно стоящие ниже Е10 ингиибруют его сплайсинг. Это ингибирование м.б. вторичным по отношению к образованию stem-loop структуры, которая секвестрирует Е10 5' сплайс-сайт от сплайс-machinery, включая U1- и U6-snRNPs. Определение трехмерной структуры из 25-нуклеотидов РНК из Е10 5'-интрон соединения показало, что эти последовательности формируют стабильную, уложенную stem-loop структуру. Stem состоит из одиночной пары оснований G-C, которые отделены от двойной спирали 6 п.н. с помощью неспаренного аденина (Рис. 3). Как это часто происходит с purine bulges из одиночного нуклеотида, неспаренный аденин в позиции -2 не вытелкивается в раствор, а интеркалирует в двойную спираль. Апикальная петля состоит из 6 нуклеотидов, которые принимают множественные конформации при быстром обмене. Известные интронные мутации и мутации мутации в кодоне 305 локализуются в верхней части stem и снижают термодинамическую стабильность stem loop. Более того, относительные пропорции 3R-tau и 4R-tau изоформ негуманоидных видов коррелируют с предсказуемой стабильностью этой stem-loop струкруры. Однако в др. исследовании пришли к выводу, что этот ESS м. функционировать как линейная последовательность, которая не зависит от stem-loop структуры.
Патогенетические FTDP-17 мутации в гене tau м. нарушать сплайсинг Е10, затрагивая некоторые регуляторные элементы, описанные выше. Т.о., интронные мутации, также как и экзонные мутации в кодоне 305 (S305N, S305S) м. дестабилизировать ингибирующую структуру stem-loop (Рим. 3). Мутация S305N и +3 интронная мутация м. также усиливать сплайсинг Е10 путем увеличения силы 5' сплайс-сайта. Однако, факт, что мутация S305S, которая ослабляет Е10 5' сплайс-сайт, также ведет предоминированию 4R-tau? что свидетельствует против что это эффект этих мутаций. Мутация N279K м. улучшать функцию ESE за счет удлиннения последовательностей, богатых пуринами, внутри этого регуляторного элемента (TAAGAA -> GAAGAA) т.о. усиливается Е10 сплайсинг. Более того, тимидиновый нуклеотид, присутствующий в последовательностях дикого типа (WT)? v/ функционировать как ингибитор сплайсинга. Наблюдение, что мутация ΔK280? которая делетирует три соседних пуриновых остатка (AAG), устраняя сплайсинг Е10, подтверждает эту гипотезу. Молчащая мутация L284L, которая усиливает сплайсинг Е10, м. действовать, разрушая потенциальный ESS (UUAG -> UCAG). Однако, т.к. мутация этого консенсуса не увеличивает сплайсинга Е10, то возникает др. возможность, что мутация удлинняет богатый АС элемент внутри ESE. Так, L284L мутация м. затрагивать или усиливая или ослабляя регуляторный сплайсинг-элемент. Эффект мутации N296N на сплайсинг Е10, по-видимому, обусловлен нарушением ESS.
Механизмы, с помощью которого эти изменения соотношения 3R-tau к 4R-tau (3R/4R) ведут к нейрональной и глиальной дисфункции и гибели клеток, остается неизвестным. 4R-tau и 3R-tau м. связываться с разными сайтами МТ и возможно, что специфическое соотношение tau изоформ необходимо для нормальной функции МТ. Следовательно, изменение соотношения 3R/4R-tau м. непосредственно затрагивать функцию МТ. Кроме того, избыточная продукция 4R-tau м. приводить к избытку свободных tau в цитоплазме и вести их к гиперфосфорилированию и сборке в филаменты.
В противоположность FTDP-17 мутациям, описанным выше, др. мутации нарушают способность tau взаимодействовать с МТ. Так, мутации K257T, G272V,Δ280, P301L, P301S, V337M, G389R и R406W снижают связывание tau с МТ и снижают ее способность содействовать в сборке МТ in vitro. Эти эффекты не наблюдаювтся у миссенс мутаций tau, влияющих на сплайсинг Е10. Сходные эффекты на функции МТ обнаруживаются и когда tau экспрессируется в различных линиях клеток, включая SHSY5Y нейробластомные клетки, СНО клетки, monkey kidney (COS) клетки. В этих клетках миссенс мутации м. вызывать слабые эффекты на снижение сродства связывания МТ, но это м. приводить к значительному кумулятивному эффекту на затрагиваемые нейроны в течение жизни человека. Более того, повышение цитозольных концентраций несвязанных мутантных tau белков м. облегчать их агрегацию в филаментозные включения.
Субнабор миссенс мутаций в гене tau м. вызывать FTDP-17, по крайней мере частично, способствуя агрегации tau. Некоторые из этих мутаций, включая K257T, G272V, Δ280K, P301L, P301S, V337M и R406W, способствуют индуцированному гепарином или арахидониковой кислотой образованию tau филамент in vitro по сравнению с tau дикого типа. Более того, установлена и агрегация мутантных tau белков в интактных клетках также. Так, СНО клетки, экспресссирующие tau с мутацией Δ280, но не сдр. мутациями, формируют нерастворимые аморфные и фибриллярные tau агрегаты. Кроме того, экспрессия Δ280 и R406W мутаций в СНО и др. клетках ведет к снижению уровня фосфорилирования tau по сравнению с др. мутантными конструкциями и нормальными tau.
Все известные мутации в гене tau ведут к формированию филамент из гиперфосфорилированного tau белка. Однако, фибриллярные повреждения, обнаруживаемые у мутаций в Е10 или интроне, примыкающем к Е10, биохимически и ультраструктурно отиличны от повреждений, вызываемых мутациями, которые локализуются вне Е10. Мутации в кодирующей области вне Е10 затрагивают все 6 изоформ tau. М. предсказать, что tau фибриллярные повреждения затрагивают все изоформы (Рис. 2). Для некоторых мутаций (V337M, R406W) морфологические и биохимические характеристики tau филамент неотличимы от тех, что при AD. Др. мутации в кодирующей области вне Е10 (K252T, G272V, E342V и G389R) ведут к tau патологиям, которые очень напоминают те, что при PiD. Напротив, мутации мутации в Е10 и соседнем интроне ведут к агрегации преимущественно 4R-tau. Ультраструктурно эти повреждения состоят из скрученных полос (ribbons)б которые сходны с филаментами, наблюдаемыми при 4R-tau нарушения., особенно при CBD.
Наконец, семьи с синдромом известным как hereditary dysphasic disinhibition dementia 2 (HDDD2), которые выглядят похожими на некоторые синдромы в родословных FTDP-17, обнаруживают сцепление с 17q21-22 с lod (logarithm of odds) равным 3.68; однако не выявлено мутаций или др. генетических аномалий в гене tau. Однако недавние исследования головного мозга от пациентов из этой семьи установили, что HDDD2 вызывает существенные нейропатологические и биохимические аномалии, сходные со спорадическими случаями FTD, классифицируемых как FTLD(DLDH). Потеря tau белков в некоторых HDDD2 головных мозгах при сохранении tau мРНК указывает на то, что поличество tau белка м. контролироваться посттранскрипционно или на уровне трансляции tau мРНК или с помощью механизма, который регулирует стабильность мРНК. Т.о., HDDD2 родословные, по-видимому, являются семейными аналогами спорадических FTLD(DLDH), связанные со снижением tau в головном мозге.
Хотя биохимические и структурные характеристики tau агрегатов при FTDP-17 предсказуемы, клинический фенотип и топографическое распределение патологий более загадочно. Напр., неясно, почему клинический и нейрологический фенотипы индивидов с FTDP-17 мутациями ранжируются от FTD ( включая субтипы, такие как Pid, CBD и PSP) до мультисистемных нейродегенераций. Однако, некоторые мутации гена tau вызывают сходные фенотипы в разных семьях или у различных членов одной и той же семьи. Напр., мутация N279K обычно вызывает фенотип, напоминающий PSP с дабавлением деменции. Напротив, имеется несколько клинических и патологических описаний семей с P301L мутацией, котоорые демонстрируют чрезвычайную изменчивость фенотипа от PSP до CBD и до PiD. Еще более интересно описание двух братьев из P301L семьи с дегенерацией форонтальных долей у одного и PSP-подобной патологией у др. Также в семье с мутацией P301S один индивид имеет FTD, тогда как др. его сын имеет клинику CBD. Эти наблюдения указывают на то, что имеется существенное перекрывание между различными tau нарушениями и что клинические и патологические отличия между ними м.б. обусловлены или гнетическими и/или эпигенетическими факторами, которые модифицируют эффекты первичных мутаций (Рис. 4).

EXPERIMENTAL ANIMAL MODELS of TAUOPATHIES


Экспериментальные и TG животные модели тауопатий служат информативными системами для выяснения роли аномалий в tay в индукции и прогрессе нейродегенеративных нарушений. Хотя различные TG мыши накапливают Aβ бляшки, ни в одной из линий не возникает AD-подобной патологии. Недавно получены модели с избыточной экспрессией tau белка человека 4R2N или 3R0N. Обе линии TG мышей обнаруживают соматодендритную экспрессию tau, указывающую на 'pretangle' патологию, но не обнаруживают филаментозных tau включений и выглядят фенотипически нормально. Отсутствие образования филамент м.б. обусловлено относительно слабой экспрессией человеческого tau? это подтверждается тем, что массивная избыточная экспрессия 4R/2N tau человека в ретикулоспинальных нейронах миноги ведет к образованию PHF-подобных tau включений с дегенерацией субнабора этих нейронов. Описаны линии TG мышей, экспрессирующие высокие уровни 3R/0N или 4R/3N tau человека на промоторе или Thy1 или прионового белка. У таких мышей развиваются многочисленные аномалии тели дендритов tau-иммунореактивных нервных клеток и большие количества патологически увеличенных аксонов, содержащих tau-иммунореактивные сфероиды. Эти изменения наиболее выражены в спинном мозге, но видны и в головном мозге. Они сопровождаются гистологическими и поведенческими признаками амиотрофии. Двойные трансгенные мыши по 4R2N tau и ПЫЛ-3β обнаруживают повышенные уровни фосфорилирования tau и заметное снижение количества сфероидов и ассоциированных гистологических и поседенческих изменений в 3-4 мес. возрасте. В этой системе, следовательно, гиперфосфорилирование tau коррелирует обратным образом с патологией. Хотя tau pathology наиболее напоминают tau, наблюдаемые при amyotrophic lateral sclerosis/parkindonism-dementia complex, они отличаются в некоторых аспектах от таковых при заболеваниях человека. Так, помимо tau, сфероиды у этих мышей TG содержат белки нейрофиламент и тубулин. Они не выявляются Congo red и Thioflavin S и не связывают Gallyas серебро. TG мыши после 18 мес. возраста обнаруживают некоторые количества филаментозных tau tangles со сходными свойствами с теми, что обнаруживаются при AD в гиппокампе и энторинальном кортексе. Более того, подобно NFTs при AD, tau tangles у этих взрослых мышей убиквитинируются и не содержат нейрофиламент или тубулина и выявляются с помощью Congo red, Thioflavin S и Gallyas серебра. Мыши, трансгенные по всему tau гену человека экспрессируют все 6 tau изоформ, но не обнаруживают паталогических изменений.
Обнаружение мутаций в гене tau в FTDP-17 ведет к продукции TG мышей, экспрессирующих мутантный tau человека в нейронах и глиальных клетках. Получено несколько линий, экспрессирующих средние уровни 4R/0N tau с или без P301L мутаций. В противоположность мышам, экспрессирующим WT tau, мыши, экспрессирующие tau с P301L обнаруживают зависимое от возраста и дозы гена накопление tau tangles в головном и спинном мозге, что сопровождается потерей нервных клеток и глиозом. Сходные результаты получены в линиях TG, экспрессирующих 4R2N tau с мутацией P301L. Tau tangles, обнаруживаемые у этих мышей, по-видимому, состоят целиком из мутантных tau человека. Это подтверждено биохимически с антителами, специфчными для P301L tau, которые демонстрируют восстановление мутантного, но не дикого типа tau из нерастворимой фракции, выделенной из тканей головного мозга индивидов с мутацией P301L tau.
TG мыши с избыточной экспрессией человеческого р25, активатра cdk5, формируют нарушения цитоскелетной архитектуры и изменения поведения. Но нет биохимического подтверждения накопления неравстворимых, гиперфосфорилированных tau у этих мышей. TG мыши, экспрессирующие аполипопротеин Е4, аллельный фактор риска для спорадических AD, обнаруживают зависимое от возраста повышение фосфорилирования tau, которое коррелирует с уровнем экспрессии аполипопротеина Е4. Хотя эти мыши обнаруживают соматодендритную экспрессию фосфорилированного tau? однако не выявлено признаков фибриллярных патологий. Наконец, TG мыши, экспрессирующие антитела к фактору роста нервов вне нервных клеток формируют выраженные, зависимые от возраста нейродегенеративные патологии, включая потерю нейронов и гиперфосфорилирование нерастворимых tau в коре и гиппокампе. Итак, хотя некоторые TG мышинные модели и обнаруживают свойства различных родственных нарушениям tau, они все еще не м. продемонстирировать полного совпадения большинства характерных свойст тауопатий человека.

CONCLUSION


Накопление филаментозный tau включений является общим признаком широкого круга нейродегенеративных нарушений, многие из которых отличаются по определенным топографическому и клеточно-специфическому распределению включений. Биохимические и ультраструктурные характеристики tau аномалий, которые часто связаны с включениеи или исключением Е10 экзона, также обнаруживают существенное фенотипическое перекрывание. Обнаружение многочисленных мутаций в гене tau ? которые ведут к аномальной агрегации tau и вызывают FTDP-17, показывают, что дисфункция tau достаточна для продукции нейроденеративных заболеваний. Мутации ведут к специфическим клеточным нарушениям, включая нарушения экспрессии, функции и биохимии tau белка. Обнаружение, что специфические полиморфозмы и мутации ведут к различным фенотипам, открывает возможность, что клинической и патологическое проявление этих нарушений м. испытывать влияние со стороны др. генетических и эпигенетических факторов.
Dj всех нарушениях общим является накопление гиперфосфорилированного белка tau в филаментозной форме, что ведет к нарушению фугкции МТ и влияет на аксональный транспорт. Остается установить, является ли дисбаланс протеин киназы/фосфатазы ранней ступенью, ведущей к генерации филаментозных tau при некоторых тауопатиях. Генетические и/или средовые факторы д. инициировать каскад событий, ведущих к аномальному фосфорилированию tau (Рис. 4). Остается также выяснить, является присутствие tau филамент вне клеток головного мозга достаточным, чтобы вызывать их гибель. Неизвестны и точные механизмы, с помощью которых tau белок собирается в филаменыт в головном мозге человека.
Агрегация tau при AD и различных тауопатиях является примером аномальных межбелковых взаимодействий, которые ведут к внутриклеточному накоплению филаментозных белков. Аномальная агрегация белка обнаруживается в большом количестве нейродегенеративных нарушений. Так, помимо tau патологий AD характеризуется накоплением внеклеточных Aβ фибрилл в форме амилоидных бляшек; Lewy body disorders содержат внутрицитоплазматические филаментозные агрегаты из α-synuclein; trinucleotide repeat disorders характеризуются внутриядерными вклдчениями, состоящими из фиброзных полиглютаминов; spongioform encephalopathies обнаруживают агрегаты из резистентных к протеиназе прионорвых белков.


Сайт создан в системе uCoz