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Nature子刊綜述:APOE家族與阿爾茲海默的相愛(ài)相殺

解螺旋公眾號(hào)·陪伴你科研的第2024天

理解文章結(jié)構(gòu)后,再也不會(huì)兩眼一黑。
載脂蛋白E(APOE)是一類糖蛋白,參與脂質(zhì)代謝調(diào)控,在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中廣泛表達(dá)于星形膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞和血管壁細(xì)胞以及脈絡(luò)叢細(xì)胞。APOE有三個(gè)等位基因突變體,分別是APOE*ε2、APOE*ε3和APOE*ε4。

研究發(fā)現(xiàn),APOE是65歲后發(fā)的遲發(fā)型阿爾茲海默癥(AD)的主要風(fēng)險(xiǎn)因子,其中APOE*ε2對(duì)AD有保護(hù)作用,APOE*ε4會(huì)增強(qiáng)AD發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)。攜帶的APOE基因型比例也會(huì)影響患AD概率,比如攜帶一個(gè)APOE*ε4患AD風(fēng)險(xiǎn)提高3-4倍,而同時(shí)攜帶兩個(gè)APOE*ε4的患病風(fēng)險(xiǎn)則提高9-15倍。大量研究發(fā)現(xiàn)APOE不僅會(huì)調(diào)控AD患者中大腦β-淀粉斑塊、tau蛋白和TDP43蛋白的表達(dá)水平,同時(shí)也會(huì)影響正常的大腦功能。


Nature Reviews Neurology上的這篇綜述探討了APOE基因型和Aβ纖維、tau蛋白纏結(jié)等AD病理標(biāo)志的相關(guān)性,總結(jié)APOE致病機(jī)制以及將來(lái)的靶向治療方法。筆者在此將致病作用分為5個(gè)部分進(jìn)行解讀,隨后將靶向治療分成三個(gè)部分解讀,最后總結(jié)治療所面臨的挑戰(zhàn)和待研究方向。


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APOE生理特性
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人源APOE蛋白大小為34kDa,由299個(gè)氨基酸組成。當(dāng)APOE從細(xì)胞內(nèi)釋放后,細(xì)胞表面的ATP結(jié)合磁盒轉(zhuǎn)運(yùn)子(ABCA1和ABCG1)會(huì)轉(zhuǎn)運(yùn)膽固醇和磷脂,與APOE結(jié)合成磷脂蛋白顆粒,繼而與細(xì)胞表面受體結(jié)合,將膽固醇和其他磷脂重分布到神經(jīng)元中。LDL受體家族(LDLR和LRP1)是主要的APOE受體,參與到APOE介導(dǎo)的脂質(zhì)代謝中。

APOE突變體由三個(gè)對(duì)應(yīng)的等位基因編碼,等位基因之間不同的氨基酸多態(tài)性改變了APOE的結(jié)構(gòu)和功能,導(dǎo)致APOE各突變體對(duì)APOE受體的親和力有所差異,因此導(dǎo)致對(duì)脂質(zhì)的清除效率有所差異,與疾病的發(fā)生相關(guān)性也不一致。

此外,APOE也在不同程度上調(diào)控大腦的不同通路,包括脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn),突觸完整性和可塑性,葡萄糖代謝和血管功能。在APOE*ε3/ ε 4健康人中,APOE4:APOE3的比例與灰質(zhì)體積減少和大腦中異常糖代謝存在相關(guān)性。且在大腦中APOE4:APOE3大于1,CSF中小于1,意味著APOE在CNS和外周循環(huán)中代謝途徑和功能存在差異。

圖1:與脂質(zhì)結(jié)合前后的APOE3蛋白的結(jié)構(gòu)

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APOE與Aβ
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1. APOE對(duì)Aβ的清除

Aβ的清除途徑包括有通過(guò)血腦屏障清除、細(xì)胞吞噬和分解、酶分解、腦組織液流動(dòng)清除、通過(guò)腦脊髓液循環(huán)至外周和淋巴系統(tǒng)。Aβ的清除與APOE的基因型和脂化狀態(tài)相關(guān),APOE2和APOE3對(duì)Aβ具有清除能力而APOE4可加劇Aβ的沉積,尤其是在早期階段。
 
APOE2-Aβ和APOE3-Aβ復(fù)合物均可以通過(guò)血腦屏障上的VLDLR和LRP1得到清除,而APOE4-Aβ的清除則是通過(guò)LRP1到VLDLR,因?yàn)閂LDLR介導(dǎo)的APOE4-Aβ內(nèi)吞比LRP1要慢,因此APOE4-Aβ的清除比APOE2和APOE3慢。此外,APOE4在促進(jìn)Aβ通過(guò)血管壁轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)的效率要低于APOE2,且當(dāng)星形膠質(zhì)細(xì)胞衍生的APOE存在時(shí),血腦屏障相關(guān)的外周細(xì)胞清除Aβ過(guò)程受到損傷。

膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)Aβ的受體介導(dǎo)內(nèi)吞和分解是Aβ清除的重要途徑之一。星形膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)Aβ的清除至少是部分依賴于APOE基因型和APOE受體,而APOE4能夠抑制細(xì)胞吞噬。此外,APOE介導(dǎo)的膽固醇外流能夠促進(jìn)Aβ轉(zhuǎn)運(yùn)至溶酶體,同時(shí)促進(jìn)小膠質(zhì)細(xì)胞分解胞外Aβ的效率。
 
APOE對(duì)其他的Aβ清除通路也有作用,包括外周血管外排和Aβ蛋白酶的水解作用。Aβ蛋白酶包括有腦啡肽酶和胰島素水解酶,決定了Aβ在腦內(nèi)的濃度水平。對(duì)AD患者的研究發(fā)現(xiàn),在攜帶有至少一個(gè)APOE4基因的患者大腦組織和血管中腦啡肽酶的表達(dá)水平,以及海馬中胰島素水解酶的表達(dá)量都顯著降低。因此APOE4的存在似乎損傷了蛋白酶的水解和外周血管外排途徑。
 
2. APOE與Aβ纖維的形成

APOE對(duì)Aβ纖維形成的作用是不連續(xù)的,對(duì)纖維形成的起始階段起著關(guān)鍵的作用,尤其是APOE4通過(guò)加速Aβ多肽的排列和成核來(lái)促進(jìn)Aβ纖維的形成,能夠加速淀粉斑塊的病理狀態(tài)。在Aβ纖維形成初始階段降低APOE4和APOE3的表達(dá)能夠顯著減少淀粉斑塊。
 
3. APOE和Aβ的表達(dá)產(chǎn)生

HEK293細(xì)胞源APOE可以誘導(dǎo)人胚胎干細(xì)胞和iPSC分化的神經(jīng)元上APP轉(zhuǎn)錄和Aβ的產(chǎn)生,且APOE*ε4比其他基因型能夠更強(qiáng)地誘導(dǎo)Aβ表達(dá),這可能是通過(guò)增加APP的轉(zhuǎn)錄來(lái)實(shí)現(xiàn)的。但是,在小鼠在體實(shí)驗(yàn)中無(wú)法得出相似的結(jié)果,考慮到物種差異,因此無(wú)法準(zhǔn)確解釋APOE是否真的能夠?qū)PP基因產(chǎn)生Aβ多肽的這個(gè)過(guò)程起作用。

圖2:APOE對(duì)Aβ的清除通路和Aβ的纖維化
 
表1:APOE基因型、AD發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)和β-淀粉斑塊沉積的關(guān)系
 
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APOE與tau蛋白、α-突觸核蛋白以及

TDP43蛋白性疾病

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APOE可以調(diào)控tau介導(dǎo)的神經(jīng)退化和小膠質(zhì)自我平衡、突觸完整性、脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)、糖代謝和腦血管功能。APOE對(duì)tau蛋白的影響取決于β-淀粉樣斑塊的存在與否。

此外,目前無(wú)法說(shuō)明APOE4是否通過(guò)Aβ依賴性機(jī)制來(lái)作用于α-突觸核蛋白,類似于tau蛋白的淀粉斑塊級(jí)聯(lián)假設(shè),又或者是不依賴于Aβ。在AD中,APOE4和TDP43之間可能存在直接的聯(lián)系,這種聯(lián)系可能是獨(dú)立于Aβ的。
 
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APOE的其他致病機(jī)制

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前面提到,相對(duì)其APOE2和APOE3,APOE4更易引起AD的發(fā)病率。這是因?yàn)锳POE4可能在其他通路上促進(jìn)大腦的病理發(fā)生過(guò)程。首先APOE4的神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)功能不足,對(duì)脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)的效率不如APOE2和APOE3。

此外,APOE4能夠增強(qiáng)小膠質(zhì)細(xì)胞的促炎反應(yīng),促進(jìn)神經(jīng)退化,以及改變小膠質(zhì)細(xì)胞膜上脂筏的結(jié)構(gòu),加速Aβ和tau蛋白的病變。在小膠質(zhì)細(xì)胞缺失的小鼠模型中,APOE相關(guān)的淀粉樣斑塊表達(dá)水平持續(xù)減少,提示小膠質(zhì)細(xì)胞可能是APOE相關(guān)的淀粉斑塊的重要來(lái)源。APOE4與突觸退化、Aβ低聚物在突觸的積累增加以及軸突密度、可塑性、谷氨酸受體減少有關(guān)。

研究還發(fā)現(xiàn),APOE4獨(dú)立于Aβ的存在,參與年齡相關(guān)的糖代謝減少和胰島素通路。APOE4與胰島素受體接觸,將它們困在囊泡的內(nèi)體結(jié)構(gòu)中,因此損傷胰島素受體的轉(zhuǎn)運(yùn)和相關(guān)信號(hào)通路。給予高脂肪飲食治療反而會(huì)進(jìn)一步損傷小鼠的認(rèn)知功能。

另外多重臨床證據(jù)認(rèn)為無(wú)論是否在AD條件下,APOE4和腦血管完整性、功能之間的損傷存在聯(lián)系。外周APOE4可能可以直接通過(guò)對(duì)BBB上的內(nèi)皮細(xì)胞作用來(lái)調(diào)控大腦血功能,或者間接通過(guò)對(duì)脂代謝、動(dòng)脈粥樣硬化和外周炎癥來(lái)調(diào)控內(nèi)皮細(xì)胞和神經(jīng)元的功能。
 
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APOE靶向性的AD治療

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1. 調(diào)控APOE數(shù)量和脂化水平

目前研究方向主要針對(duì)于肝X受體(LXR)和類視黃醇X受體(RXR)的激動(dòng)劑,主要的藥物是Bexarotene——RXR激動(dòng)劑。Bexarotene能夠正向調(diào)控APOE基因的轉(zhuǎn)錄和分泌,減少AD小鼠的Aβ沉積,恢復(fù)認(rèn)知功能。

但是該藥的中樞神經(jīng)透過(guò)性很差,還會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)毒性,比如肝臟特定代謝通道被激活引起的高甘油三酯血癥。而基于Aβ病理發(fā)生和APOE脂化的APOE基因型依賴性作用,用腺病毒轉(zhuǎn)染使APOE*ε2基因在小鼠模型中過(guò)表達(dá),能夠有效降低Aβ水平。

利用APOE抗體HJ6.3能夠明顯減少β-淀粉樣斑塊沉積,且在APOE4陽(yáng)性小鼠中使用抗體HAE4治療也有同樣的結(jié)果。HAE-4能夠結(jié)合到Aβ斑上聚集的APOE,介導(dǎo)小膠質(zhì)細(xì)胞的活化去吞噬淀粉斑塊。

用APOE類似物取代內(nèi)源性APOE能夠減少Aβ沉積,降低tau過(guò)磷酸化和膠質(zhì)細(xì)胞活化,但是對(duì)于人的APOE亞型中這種作用還不能確定。

此外,通過(guò)提高APOE蛋白的脂化水平,能夠調(diào)控Aβ的沉積。過(guò)表達(dá)Abca1增加APOE脂化就會(huì)降低Aβ沉積,而在純合APOE*ε4小鼠中敲除Abca1等位基因中的一個(gè),加速了記憶丟失和Aβ沉積,這可能是由于缺少一個(gè)Abca1基因?qū)е轮惓5腁POE4數(shù)量增加所引起的。目前增加APOE脂化對(duì)于Aβ病理發(fā)生的好處還不能完全確定。

2. 靶向APOE結(jié)構(gòu)和與Aβ的結(jié)合

APOE4的N端結(jié)構(gòu)與和C端結(jié)構(gòu)與之間有個(gè)連接,這是一種致病的病理構(gòu)象。在體外iPSC誘導(dǎo)的神經(jīng)元中,利用小分子PH002可以破壞這個(gè)連接,減少APOE4的蛋白碎片,并減弱了APOE4對(duì)Aβ產(chǎn)生、tau蛋白磷酸化、GABA能神經(jīng)元降解的作用。

利用基因編輯將APOE4的氨基酸序列轉(zhuǎn)換成APOE3或APOE2,能夠有效衰減膠質(zhì)細(xì)胞相關(guān)的AD相關(guān)表型,這是通過(guò)增強(qiáng)膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)吞Aβ和減少Aβ沉積的方式達(dá)到的。利用合成多肽Aβ12-28P去阻止APOE和Aβ的結(jié)合,也可以減少Aβ沉積和不可溶tau蛋白的積累。

3. 靶向APOE受體

假如APOE對(duì)Aβ的清除是部分依賴于APOE受體,那么過(guò)表達(dá)APOE受體也許能夠減少Aβ的病理沉積。在小鼠模型中,敲降Ldlr可增加Aβ沉積,過(guò)表達(dá)可以促進(jìn)Aβ清除。

在神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞、血管平滑肌細(xì)胞中條件性敲降Lrp1會(huì)增加Aβ的沉積。而用氟伐他丁來(lái)增加Lrp1的表達(dá)會(huì)減少Aβ沉積。但是這個(gè)方向需要更進(jìn)一步的研究。

圖3:靶向APOE的精準(zhǔn)醫(yī)療方向

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藥物研發(fā)面臨的挑戰(zhàn)

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A. 盡可能最小化副作用:對(duì)APOE基因型,治療間隔,治療窗口,特定的生化特性,致病形式在體內(nèi)的分布等治療策略都需要進(jìn)行研究來(lái)監(jiān)控副作用;
B. APOE敲降和衰老的生理改變、AD發(fā)展的關(guān)系;
C. APOE靶向療法對(duì)外周脂代謝和相關(guān)生理變化;
D. 識(shí)別調(diào)控AD病理發(fā)生的APOE下游的效應(yīng)分子;
E. 整合創(chuàng)新技術(shù),比如體內(nèi)基因編輯,更有效地藥物遞送,可以加速臨床轉(zhuǎn)化。

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待研究方向

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A. 介導(dǎo)Aβ在腦內(nèi)的外滲或內(nèi)流的精準(zhǔn)機(jī)制,即APOE亞型和Aβ受體的相互作用還需要研究;
B. 從脈絡(luò)叢和CSF中產(chǎn)生的APOE通過(guò)淋巴液轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)被轉(zhuǎn)運(yùn)至大腦內(nèi), APOE基因型對(duì)Aβ的淋巴清除通路還沒(méi)有研究;
C. APOE與tau、α-突觸核蛋白蛋白性疾病、TDP-43的病理之間的聯(lián)系已經(jīng)有所研究,但是其與病程的發(fā)展還沒(méi)有揭示,應(yīng)用能夠疾病特異條件的模型進(jìn)行也許能夠更進(jìn)一步揭示APOE病理對(duì)AD的影響;
D. AD早期血管調(diào)節(jié)異常,如何準(zhǔn)確測(cè)定APOE4對(duì)大腦血管的影響來(lái)促進(jìn)AD病程;
E. 大腦血管可能通過(guò)結(jié)合聚集增加的病理性蛋白如Aβ來(lái)降低認(rèn)知和使功能失調(diào),所以要在Aβ依賴性和Aβ獨(dú)立的狀態(tài)下分別研究其中的協(xié)同或相加機(jī)制;
F. APOE2雖然有對(duì)AD的保護(hù)作用,但是似乎也能增加CAA和CAA相關(guān)顱內(nèi)出血的風(fēng)險(xiǎn),以及增加小血管疾病的嚴(yán)重性。然而,APOE2對(duì)大腦血管的影響還未知。
END


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