解密tau蛋白：解开阿尔兹海默症的「蛋白密码」

神经退行性疾病正成为公共卫生的重大挑战，其中以阿尔茨海默病（AD）为代表的tau蛋白病（Tauopathies）尤为棘手。这类疾病的核心特征是大脑中过度磷酸化的tau蛋白异常聚集，形成神经原纤维缠结，伴随 β- 淀粉样蛋白（Aβ）斑块沉积，最终导致神经元死亡和认知衰退。然而，tau蛋白与 Aβ 聚集体的结构复杂性，长期阻碍着靶向治疗的突破。近年来，冷冻电镜（Cryo-EM）及其衍生技术 —— 冷冻电子断层扫描（Cryo-ET）—— 以近乎原子级的分辨率，为解析这些「致病蛋白密码」提供了革命性工具。

01 tau蛋白病的现状：从流行困境到治疗瓶颈

阿尔茨海默病作为最常见的tau蛋白病，占所有痴呆病例的 60-70%。据统计，2019 年世界约 5700 万人受其影响，预计 2050 年将增至 1.53 亿1。患者大脑中的核心病理特征 —— tau蛋白缠结与 Aβ 斑块 —— 虽被广泛研究，但其分子结构、细胞内传播机制及与周围环境的互作仍模糊不清。例如，绿茶提取物 EGCG 虽能体外分解tau蛋白与 Aβ 纤维，却因生物利用度低难以成药，凸显了「结构导向药物设计」的迫切性2。

02 冷冻电镜：从「看清蛋白」到「解密病理」

传统研究依赖体外合成的蛋白纤维，但冷冻电镜的突破揭示了关键差异：人脑提取的tau蛋白纤维结构与合成纤维结构不同（图1）3,4。通过近原子分辨率成像，研究人员首次根据tau蛋白纤维的折叠方式对tau蛋白病进行分类，证实了人脑样本在转化医学中的不可替代性5。例如，阿尔茨海默病患者脑组织中的tau蛋白以「成对螺旋纤维」和「直纤维」两种形态存在，且不同脑区结构差异显著，提示病理的空间异质性。

图 1. 阿尔茨海默病患者脑细胞外囊泡中发现的 tau 蛋白双螺旋细丝的低温电子显微镜电子密度图（灰色）和结构模型（洋红色）。图片来自Fowler et al.，CC BY 4.0授权。

然而，早期冷冻电镜研究多基于提取的纤维，无法反映蛋白在天然细胞环境中的行为。此时，冷冻电子断层扫描（Cryo-ET） 登场 —— 这项技术无需化学固定或染色，可直接对原生脑组织进行三维成像，捕捉tau蛋白与 Aβ 在细胞内的真实状态。

03 Cryo-ET ：揭示tau聚集体的天然状态

在家族性 AD 小鼠模型中，Cryo-ET 揭示 Aβ 斑块是由完全组装纤维、原纤维样杆和分支纤维组成的「复杂网络」，并与细胞外囊泡、多层体等结构交织，印证了「二次成核」机制在斑块生长中的作用（图2）6。更关键的是，携带Arctic (E22G) Aβ变体纤维在脑组织内呈现独特的宽度与分支模式，解释了为何临床 PET 示踪剂无法检测该突变型斑块 —— 这一发现直接挑战了现有抗体疗法的设计逻辑。6

图 2. 取自小鼠模型的由 Arctic Aβ 突变体组成的原纤维。与体外相比，这些原纤维在组织内的宽度和分支模式有所不同。图片来自 Leistner et al.,  CC BY 4.0授权。

转向人类脑组织，Cryo-ET 呈现了更精细的病理图景：Aβ 斑块呈「晶格状」结构，伴随健康脑内不存在的立方颗粒；tau蛋白纤维则为平行无分支的聚集体，其形态受细胞微环境限制。这些发现打破了「体外模型等同于体内病理」的假设，强调必须在原生环境中研究蛋白互作。

04 绘制人类脑组织中的 tau 蛋白结构

冷冻电子断层扫描 (Cryo-ET) 技术使得在接近天然条件下观察人脑组织中的 tau 结构成为可能。与需要化学固定或染色的传统技术不同，冷冻电子断层扫描 (Cryo-ET) 技术使研究人员能够在天然细胞环境中研究 tau 蛋白丝7。

图 3. 人脑组织断层扫描切片，显示病理特征，包括 Aβ 斑块（左，青色）和 tau 蛋白丝（右，黄色）。图片来自Gillbert et al., CC BY 4.0授权。

Gilbert 等人最近的一项研究展示了该技术所能获得的前所未有的洞见，揭示了阿尔茨海默病患者尸检样本中细胞间 Aβ 和细胞内 tau 蛋白丝的结构组织8。这些研究表明，Aβ 斑块呈现出格子状结构，与细胞外囊泡和立方形颗粒交织在一起——而这些成分在健康脑组织中并不存在（图 3）。此外，还观察到了分支 Aβ 原纤维和原丝状杆状结构，表明二次成核机制在斑块形成过程中发挥了作用。

图 4. 在阿尔茨海默病患者死后脑样本中，tau 蛋白要么以双螺旋丝和直丝的混合形式存在，要么仅以直丝的形式存在。图片图片来自Gillbert et al., CC BY 4.0许可

与Aβ不同，这些组织样本中的tau丝呈平行、不分支的结构，并聚集在一起，这可能是由于细胞限制或横向相互作用所致。不同脑区tau丝的结构差异进一步凸显了阿尔茨海默病病理的空间异质性（图4）。这些发现进一步强调了tau蛋白病的复杂性，并强调了在其原生环境中研究疾病机制的必要性。

References

1、GBD 2019 Dementia Forecasting Collaborators. Estimation of the global prevalence of dementia in 2019 and forecasted prevalence in 2050: an analysis for the Global Burden of Disease Study 2019. The Lancet Public Health 7:2, e105–125 (2022). doi: 1016/S2468-2667(21)00249-8

2、Seidler, PM, et al.Structure-based discovery of small molecules that disaggregate Alzheimer’s disease tissue derived tau fibrils in vitro. Nat Commun 13:5451 (2022). doi: 1038/s41467-022-32951-4

3、Fowler, SL, et al. Tau filaments are tethered within brain extracellular vesicles in Alzheimer’s disease. Nature Neuroscience 28, 40-48 (2025). doi: 1038/s41593-024-01801-5

4、Yang, Y, et al. Cryo-EM structures of amyloid-β 42 filaments from human brains. Science 375:6577 (2022). doi: https://doi.org/10.1126/science.abm7285

5、Shi, Y, et al. Structure-based classification of tauopathies. Nature 598, 359–363 (2021). doi: 1038/s41586-021-03911-7

6、Leistner, C, et al. The in-tissue molecular architecture of β-amyloid pathology in the mammalian brain. Nat Commun 14:2833 (2023). doi: 1038/s41467-023-38495-5

7、Creekmore, BC, et al.Ultrastructure of human brain tissue vitrified from autopsy revealed by cryo-ET with cryo-plasma FIB milling. Nat Commun 15:2660 (2024). doi: 1038/s41467-024-47066-1

8、Gilbert, MAG, et al. CryoET of β-amyloid and tau within postmortem Alzheimer’s disease brain. Nature 631, 913–919 (2024). doi: 1038/s41586-024-07680-x