《Cell》：Molecular features of human pathological tau distinguish tauopathy-associated dementias
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本研究针对tau蛋白病缺乏分子特征信息导致患者分层和治疗开发困难的瓶颈，利用FLEXITau定量蛋白质组学平台，对203例人脑样本中6种tau蛋白病（AD、fAD、CTE、CBD、PiD、PSP）及对照组的病理tau蛋白进行深度表征。研究鉴定出145个PTM位点和195个切割位点，通过机器学习成功实现疾病分类，为tau蛋白病的精准诊断和治疗靶点开发提供了关键分子基础。
在神经退行性疾病研究领域，超过20种与痴呆相关的疾病都存在tau蛋白异常聚集的共同特征，这些被统称为tau蛋白病。尽管临床表现相似，但阿尔茨海默病（AD）、慢性创伤性脑病（CTE）、皮质基底节变性（CBD）、进行性核上性麻痹（PSP）和皮克病（PiD）等不同tau蛋白病在分子水平上的差异一直是个谜。当前临床诊断工具难以在早期准确区分这些疾病，严重阻碍了靶向治疗药物的开发进程。
面对这一挑战，研究人员在《Cell》杂志上发表了突破性研究成果。他们利用先进的FLEXITau定量质谱平台，对来自6个美国NIH脑库的203例人脑样本进行了系统分析，涵盖AD、家族性AD（fAD）、CTE、CBD、PiD、PSP以及症状对照（DLB）和健康对照。这项研究首次提供了tau蛋白在不同疾病中的全面分子图谱。
研究团队采用了多项关键技术方法：通过基于质谱的蛋白质组学技术对病理tau蛋白进行深度表征；运用FLEXITau靶向定量方法测定tau蛋白绝对含量和修饰程度；利用无监督聚类分析揭示疾病特异性分子模式；开发机器学习分类器实现疾病准确诊断。所有脑组织样本均经过严格的神经病理学确认，并通过sarkosyl分级分离获得不溶性tau蛋白聚集体。
研究结果揭示了tau蛋白病的分子异质性。通过定量分析发现，不同疾病中病理tau蛋白的含量存在显著差异，fAD患者脑中tau聚集体含量最高（约3,450 fmol/mg），其次是AD（约1,220 fmol/mg），而PSP和PiD的含量较低（约30 fmol/mg）。3R/4R同工型比率分析证实了疾病特异性模式：CBD和PSP作为4R tau蛋白病，其比率分别为0.1和0.3；而PiD作为3R tau蛋白病，比率高达1.6。
对翻译后修饰（PTM）的全面鉴定发现了145个修饰位点，包括66个磷酸化、27个泛素化、28个乙酰化、13个瓜氨酸化和11个甲基化位点。患者频率分析显示，pS202是唯一在所有疾病和对照组中都高频出现的修饰位点，而其他位点如pT181、pT231、pS262等在不同疾病中表现出特异性分布模式。
蛋白水解切割分析鉴定了195个切割位点，形成了多个切割热点区域（7-13、103-115、227-229等）。研究发现，tau蛋白病按照切割程度可分为两类：一类如PSP和对照组，切割事件较少；另一类如AD、CTE和CBD，表现出广泛的切割模式，特别是在微管结合结构域两侧。
无监督聚类分析成功将患者分为不同的分子亚型。基于PTM数据的聚类产生了6个特征各异的簇（P1-P6），从几乎无修饰的对照组（P1）到修饰最丰富的AD患者（P6）。类似地，基于切割数据的聚类也识别出6个簇（C1-C6），其中C6簇完全由AD样本组成，所有fAD患者都聚集于此。
FLEXITau定量数据的聚类分析最为成功地分离了不同疾病组。聚类结果显示出明确的疾病特异性模式：F1簇主要为对照组；F2簇以PiD患者为主；F3簇富含PSP患者；F4簇集中了CBD患者；F5簇主要为CTE患者；F6簇则主要由AD患者组成。每个簇都表现出独特的肽段修饰程度特征。
机器学习分类器的开发是本研究的另一重要成果。研究人员利用随机森林（RF）算法，基于PTM、切割和FLEXITau三类数据分别构建了疾病分类器。所有分类器在区分特定tau蛋白病方面都表现出色，平均曲线下面积（AUC）达到0.86±0.13。FLEXITau数据的分类效果最佳，能够清晰区分各疾病组。
特征重要性分析揭示了每个疾病最具判别力的分子特征。例如，AD的分类主要依赖于C端区域的高修饰程度和特定切割模式；CTE的特征在于PRR区域的中等修饰程度；CBD则表现出独特的泛素化和乙酰化模式。
研究结论部分强调，这项工作首次提供了tau蛋白在不同疾病中的全面分子特征图谱。尽管冷冻电镜研究已经揭示了不同tau蛋白病中tau纤维的独特结构，但tau蛋白的化学特性差异尚未被系统探索。本研究通过FLEXITau平台填补了这一空白，提供了从N端到C端的详细修饰和切割信息。
这些发现具有重要的转化医学价值：首先，鉴定出的疾病特异性分子特征为开发新型诊断生物标志物提供了基础；其次，定量数据为设计正电子发射断层扫描（PET）探针和靶向治疗药物提供了关键信息；最后，机器学习分类器的成功建立展示了分子特征在患者分层中的临床应用潜力。
研究人员还提出了一个有趣的理论：不同tau蛋白病中tau聚集体的稳定性可能影响疾病进程。PSP中tau修饰较少、聚集体含量低但疾病进展迅速，可能与其形成不稳定的寡聚体形式有关，这种形式毒性更强且更容易在细胞间传播。相反，AD中高度修饰和切割的tau可能形成更稳定的纤维结构，毒性相对较低。这一假说为理解tau蛋白病的病理机制提供了新视角。
研究的局限性包括样本量在某些罕见tau蛋白病中仍然有限，以及使用的尸检脑组织可能无法完全反映疾病早期阶段的分子变化。未来需要在更易获取的样本类型（如血液或脑脊液）中验证这些特征，以推动其临床转化应用。
总之，这项研究通过对tau蛋白病的系统分子表征，为理解疾病机制、开发精准诊断工具和靶向治疗方法奠定了坚实基础。所提供的定量和定性信息将助力研究人员设计更有效的tau靶向疗法，最终推动神经退行性疾病领域向精准医疗迈进。
