Cell：调控突触可塑性和记忆巩固的Arc蛋白，竟会促进损害认知的tau蛋白扩散

阿尔茨海默病（AD）及tau蛋白病的一个重要组织病理学特征是细胞内错误折叠的tau形成神经原纤维缠结。病理tau可以在细胞间传播，其扩散程度及病理水平与AD患者认知功能衰退的程度密切相关。

在AD中，tau通过突触连接的神经元回路扩散，起始于蓝斑或内嗅皮层，蔓延至海马和新皮层。神经元活动调控tau从神经元中的释放，高度活跃的神经元会加剧tau病变，但目前，神经活动依赖性的tau释放及传递机制尚不明确。

在今天的《细胞》杂志上，美国犹他大学Spencer Fox Eccles医学院的研究团队发表了最新研究成果，他们发现，




神经元




Arc




通过直接的蛋白质-蛋白质相互作用与tau结合，并共同封装入由神经元释放的细胞外囊泡（EV）中，进行细胞间传递。

在小鼠模型中，缺失



Arc



会导致EV中的tau显著减少，tau的播种功能丧失，细胞间传播几乎完全消失，但与此同时，tau在细胞内异常积累，伴随海马神经元损失增加，提示



Arc



的缺失会加剧早期神经毒性。在AD患者脑组织中同样观察到Arc与tau共同封装于EV，并且Arc水平与磷酸化tau水平呈正相关。

神经元基因


Arc



是突触可塑性和记忆巩固的主要调控因子，已经被发现与AD病理有关。研究发现，


Arc蛋白




能够自发形成类似病毒的衣壳结构并封装RNA，这一特性源自其逆转座子起源。Arc还可以通过EV释放，介导蛋白质和RNA的细胞间传递。

由于tau和Arc都能通过受神经元活动调控的EV释放，研究人员猜测，Arc可能在EV释放tau这一过程中发挥作用。他们在大鼠皮层神经元中进行了实验，向野生型和


Arc


敲除神经元中转导人源突变型tau（hTau），二者的细胞内hTau水平相当，但




Arc



敲除神经元释放的EV中，hTau显著减少。

Arc EV的产生和释放由I-BAR蛋白IRSp53介导，研究人员在小鼠的


N2a




细胞系中验证了，



Arc与IRSp53共表达时，EV中hTau的释放显著增强。


因此，Arc EV可包裹hTau，且EV-hTau可从神经元释放。

接下来，研究人员从rTg4510突变tau小鼠（rTgWT）和与


Arc


敲除小鼠杂交后的小鼠（rTgArc KO）脑组织中分离了EV。他们发现，


rTgWT小鼠EV中含有hTau和Arc，且这些蛋白能够抵抗蛋白酶K降解，说明它们被封装在EV中。


在


rTgArc KO小鼠中，EV中的hTau水平显著下降，但总EV数量不变。


因此，Arc不会影响EV的产生，而是特异性作用于tau封装。

不但如此，


rTgWT小鼠的EV-hTau具有播种能力，促进tau聚集，而rTgArc KO小鼠的EV则不具备这种能力。

基于此，研究人员在AD患者中进行了验证。他们从AD患者和非AD对照的前额叶皮层中分离了EV。EV的形态和大小在组间没有显著差异，但


Arc水平与磷酸化tau水平呈正相关


。电镜观察显示


EV中存在Arc单独、tau单独以及Arc-tau共封装的情况。

进一步对Arc依赖性EV-hTau释放机制的探索显示，


Arc会直接与hTau、IRSp53形成复合物，并且与磷酸化hTau的结合亲和力显著更高




。hTau与Arc结合形成复合体后保持


无序结构




，但呈现多价、动态的相互作用。值得注意的是，对hTau播种能力十分重要的



六肽基序




在与Arc结合时会暂时呈现β折叠构象，这种模式与其他hTau序列存在显著差异，且稳定性更高。

EV中的Arc依赖性hTau释放可能参与了细胞内毒性hTau的清除。为了验证这个假设，研究人员比较了rTgWT小鼠和rTgArc KO小鼠在4月龄时的hTau积累和神经元丢失。


在rTgArc KO小鼠中，神经元内hTau积累显著增加，并且海马神经元丢失更多，这意味着Arc缺失限制了神经元中hTau的释放，使其在神经元内堆积，从而加剧早期的神经损伤。

最后，研究人员验证了Arc是否参与hTau的细胞间传递。在细胞和小鼠模型中，




Arc



敲除都几乎完全消除了hTau的细胞间传播。

Arc


敲除和野生型神经元的自发活动和兴奋性相当，小鼠中


Arc



敲除的CA1


兴奋性神经元




的兴奋性则显著高于野生型，既往研究表明，神经元活动增加会导致tau释放增加，因此，神经元兴奋性的差异不能解释



Arc


敲除神经元间hTau传递的减少。

综上所述，这项研究揭示了Arc通过直接蛋白-蛋白相互作用将hTau封装入EV中，并促进细胞间传播的重要作用。研究人员指出，如果能针对这些特定EV进行干预，阻止tau的传播，将会带来一种可行的新治疗策略。