Cell?|?CRISPR篩選揭示tau蛋白穩態的調控原則

撰文|一只魚

Tau蛋白病是一類神經退行性疾病，包括阿爾茨海默病（AD），其特征為tau蛋白聚集，且目前缺乏有效療法。Tau蛋白本質上是一種無序蛋白，其經典功能是調節微管的穩定性與動態。編碼tau蛋白的基因MAPT發生突變會導致家族性額顳葉癡呆（FTD）。然而包括AD在內的大多數tau蛋白病病例是散發性的，這表明細胞環境中的某些因素控制著缺乏疾病突變的病理性tau蛋白的累積。此外，大腦的特定區域及其內的特定神經元亞型對不同的tau蛋白病具有易感性。但目前仍不清楚是哪些細胞因素控制tau蛋白聚集。

近日，來自美國加州大學舊金山分校的Martin Kampmann研究團隊在Cell上發表題為CRISPR screens in iPSC-derived neurons reveal principles of tau proteostasis 的文章，在誘導多能干細胞（iPSC）分化的人神經元中進行了全基因組CRISPRi篩選，發現了已知及意料之外的調控tau寡聚體水平的通路，包括UFM化和GPI錨定生物合成途徑。篩選發現E3泛素連接酶CUL5 SOCS4復合物控制人神經元中的tau蛋白水平，能泛素化tau蛋白，并且其表達與人類疾病中對tau蛋白病的耐受性相關。線粒體功能破壞會促進tau蛋白的蛋白酶體異常加工，從而產生與疾病相關的tau蛋白水解片段，并在體外改變tau蛋白的聚集特性。

研究人員首先在攜帶FTD致病突變MAPT V337M的iPSC來源神經元中，利用抗tau寡聚體抗體T22進行全基因組CRISPRi篩選。初篩鑒定出1143個能顯著調節tau寡聚體水平的基因。通路富集分析顯示，氧化磷酸化、自噬和泛素-蛋白酶體系統（UPS） 是調控tau寡聚體的核心通路。其中，敲低氧化磷酸化相關基因會顯著提升tau寡聚體水平，揭示了線粒體功能與tau病理之間的緊密聯系。為增加結果的可靠性，他們進行了多項二次篩選，使用了不同的tau寡聚體抗體（TOC1、M204）并對比了總tau水平的變化。結果證實，氧化磷酸化、自噬和UPS通路在多種檢測條件下均顯著富集。

在所有的篩選中，他們都鑒定到了編碼E3泛素連接酶支架蛋白的CUL5基因。CUL5與其銜接蛋白SOCS4、調節蛋白RNF7、ARIH2等共同構成CRL5 SOCS4復合物，該復合物能直接與tau蛋白相互作用，并介導其泛素化，尤其是對tau蛋白第80-130位氨基酸區域的賴氨酸（如K83, K85）進行多聚泛素化修飾，從而靶向tau并通過蛋白酶體途徑降解。在神經元中敲低CUL5或RNF7會導致tau蛋白和tau寡聚體水平升高；而過表達SOCS4則能降低tau水平。體外重組實驗進一步驗證了CRL5 SOCS4復合物對tau的直接泛素化活性，且該過程依賴于NEDD化修飾和ARIH2的參與。對AD患者腦組織單細胞轉錄組數據的分析發現，在AD中存活的耐受性神經元內，CUL5、SOCS4和ARIH2的表達水平顯著高于易受損神經元。這種表達差異在興奮性神經元和生長抑素（Sst）抑制性神經元中尤為明顯，并且也存在于其他tau蛋白病（如 進行性核上性麻痹PSP）的耐受性神經元中。這表明CRL5 SOCS4介導的tau蛋白降解通路可能是神經元在tau病理壓力下存活的重要內在保護機制。

針對另一個篩選發現的通路，線粒體電子傳遞鏈（ETC），研究人員使用魚藤酮（復合物I抑制劑）進行驗證。他們發現，ETC抑制不僅增加總tau和寡聚體水平，更誘導產生一個約25-kDa的N端tau片段。該片段由蛋白酶體切割產生，其生成依賴于活性氧（ROS）的積累，并可被抗氧化劑部分抑制。重要的是，該片段能被分泌到細胞外培養基中，并且其釋放水平與用于AD診斷的腦脊液生物標志物NTA（N端tau）高度相關。研究人員進一步探究了這一病理性片段的功能后果。體外實驗表明，純化的tau 1-172片段（模擬25-kDa片段）能夠延長tau纖維形成的延滯期，并改變最終纖維的四級結構，使其更加剛直。這說明，在疾病早期由氧化應激和蛋白酶體功能改變產生的tau片段，可能作為“種子”或調節劑，改變全長tau的聚集路徑和最終纖維形態，從而加劇病理。

總的來說，這項研究揭示了人類神經元中tau蛋白穩態的調控因素，并為tau蛋白病指出了潛在的治療靶點。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.12.038

制版人： 十一

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