11 неожиданных особенностей языков программирования

Это как раз логично, append добавляет элемент к списку, модифицируя его in-place. a[0] += [5] эквивалентно a[0] = a[0] + [5], что создаст новый список и попробует записать его по нулевому индексу в tuple — но tuple неизменяем, и это невозможно, о чём exception любезно скажет. Если очень хочется, можно делать так: a[0].extend([4])