TDP-43蛋白球狀多聚體是一導致失憶症的關鍵分子

TDP-43 TeamGroup
  研究團隊:博士候選人方裕勝、助研究員
  陳韻如博士、研究助理張育仁(由左至
有關阿茲海默症、帕金森氏症、亨丁頓舞蹈症等諸多腦神經退化疾病,近三十年來,已知與蛋白質錯誤折疊後形成的類澱粉蛋白沉澱有關,例如: 乙型類澱粉蛋白(Amyloid-β) 和tau蛋白是兩類導致阿茲海默症病變的關鍵蛋白;2006年,一種名為TDP-43蛋白的沉澱被發現與漸凍人症及腦前側額顳葉退化症有關,TDP-43蛋白開始受到矚目。

全球許多的科學家,鍥而不捨所追求的,就在於期許人類能有一個「在有生之年,思想和行動保有完整性」的未來。腦神經退化病變,多半是緩慢逐漸的失智,而漸凍人症(ALS)是因為運動神經元的腦神經病變,造成患者有完整的思想卻無法動作;腦前側額顳葉退化症(FTLD)則是比較年輕就已經失憶。

本中心助研究員陳韻如老師專注在與蛋白質錯誤折疊相關的神經退化性疾病研究,最近,她在自然期刊系列的《自然通訊》(Nature Communications)期刊發表論文,說明其團隊如何証實,全長的TDP-43蛋白球狀多聚體,是一導致腦前側額顳葉退化症神經病變的關鍵。

研究團隊利用生物化學及物理方式發現,全長的TDP-43蛋白可快速形成球狀聚合物,再用此蛋白質多聚體做為抗原來製造專一抗體,不但證明腦前側額顳葉退化症患者的神經細胞組織內有全長的TDP-43蛋白球狀體,這個蛋白也具有毒性;此外,也發現TDP-43蛋白和乙型類澱粉蛋白具有關連性。可以說,這個研究對原來科學界已專注在TDP-43蛋白片段及其纖維的研究方向,及時的提出修正的證明。

腦前側額顳葉退化症常以FTLD代稱,即Frontotemporal Lobar Dementia 的縮寫。目前已經知道,FTLD患者失憶的症狀和阿茲海默症相似,區隔點在於FTLD患者多半在壯年期就開始逐漸退化,失憶的現象通常在65歲之前就發生;而阿茲海默症則屬於高齡者的疾病。此外,已有研究指出,一些FTLD和ALS亞型患者的腦細胞內的堆積物,都有TDP-43蛋白片段,因此,之前的文獻都推論可能是失去活性的TDP-43蛋白以及其片段造成的纖維化堆積促使腦神經的壞死。

陳韻如實驗室的研究中,他們先將人類的TDP-43蛋白序列轉殖到大腸桿菌內,用基因序列表現法,製造出全長的TDP-43蛋白體;由於產生出來的全長TDP-43蛋白已經顯現球狀堆積物的特性,同時,它和目前科學研究用來辨識類澱粉蛋白多聚體(Amyloid Oligomers)的抗體也能產生作用,因此,團隊決定捨棄先前科學界『著重片段的TDP-43蛋白是造成病變的原因,而且TDP-43和造成阿茲海默症主因的類澱粉蛋白沒有關聯』的說法,繼續用全長的TDP-43蛋白進行研究。TDP-43 Figure1運用免疫染色法,TPD-O多株抗體可以辨識出早年失憶症病患前腦內的TDP-43蛋白。

已知,乙型的類澱粉蛋白(Amyloid Beta, 即Aβ),在影響阿茲海默症患者腦內產生類澱粉蛋白多聚體後,會形成纖維狀的物質,科學家懷疑,是某種有毒的物質,在纖維化之前,已造成對神經的傷害。團隊決定在乙型的類澱粉蛋白加入4%的全長TDP-43球狀多聚體。結果顯示,Aβ纖維狀的物質不再形成,但是形成一堆小顆粒狀的多聚體,目前阿茲海默症的研究,認為Aβ多聚體是導致疾病的關鍵。所以, TDP-43可能在阿茲海默症也扮演關鍵性的角色。

為了要證明全長TDP-43球狀體是否存在於病患的腦細胞內,他們決定用全長的TDP-43 注射在實驗兔中,產生多株抗體,結果證實,這個抗體對於TDP-43蛋白多聚體具有很高的辨識性。透過與成功大學臨床醫學研究所蔡坤哲教授的合作,在TDP-43基因轉殖鼠的腦神經細胞找到TDP-43蛋白球狀體,而且越老的老鼠腦內越多。與美國加州大學戴維斯分校阿茲海默症研究中心Lee-Way Jin教授合作,也用免疫染色法證實其於FTLD病患腦細胞核外之存在。

由於台灣在提供腦神經病變研究的人體腦組織的機制尚未建立,為了要進一步的確認,陳老師與美國加州大學戴維斯分校的阿茲海默症研究中心接洽,在通過中研院人類研究倫理委員會審核,獲得衛福部的進口許可後,終於取得FTLD病患捐贈的腦部組織,實驗室的同仁終於可以用多株抗體進行人體組織的電子顯微鏡的觀測。用免疫沉殿法驗證的結果,本論文的第一作者清華大學結構生物學程的博士候選人方裕勝,第一次拿病人組織實驗結果後興奮地大呼,『結果好的不得了!』他們終於成功的用檢體證實,在FTLD患者腦內存在全長TDP-43蛋白的類澱粉多聚體。這是相關研究的首度發現!

TDP-43 Figure2
早期失憶症病人腦內海馬體區的組織,經過用TDP-O抗體之免疫沉澱染色法
作辨識,在電子顯微鏡下,清楚顯現球狀TDP-43多聚體。

在這個研究中,陳韻如老師與多方合作,實驗的層面也從蛋白質化學擴展到人體檢體,在人類腦神經病變的研究上,從追蹤TDP-43蛋白,到發現其與多個腦神經病變都有聯性,提供給科學界更多的線索。本研究的合作對象有成功大學蔡坤哲副教授,陽明大學鄭菡若副教授,中研院分生所袁小琀研究員及生醫所杜邦憲助研究員,以及美國加州大學戴維斯分校神經病理系主任Lee-Way Jin教授。本研究論文可於以下網址搜尋,http://www.nature.com/ncomms/2014/140912/ncomms5824/full/ncomms5824.html

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 冰桶挑戰-陳韻如實驗室

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