ApoE4-阿尔茨海默病最强的危险因素基因，如何危害大脑？

2022-10-10  互联网

　　

　　前言

　　载脂蛋白E(Apolipoprotein E, ApoE)最初在1973年被鉴定为富含三酰甘油的极低密度脂蛋白的一种成分,并被称为“富含精氨酸的”蛋白,直到1982年才将这种蛋白质正式命名为“ApoE”,并被广泛采用。

　　

　　ApoE的核心结构

　　血浆中的ApoE大多数来源于肝细胞,但还有其他一些来源,其中最重要的是巨噬细胞、星形胶质细胞和脂肪细胞。ApoE主要参与脂质代谢,但在神经保护、抗微生物防御、氧化应激和炎症等方面也起着一定作用。在中枢神经系统中,ApoE主要由星形胶质细胞分泌,在应激生理条件下由周细胞、少突胶质细胞、脉络丛和神经元表达,且对脑内多条途径进行差异性调节,包括脂质转运、突触完整性和可塑性、葡糖糖代谢和脑血管功能。近年来研究发现ApoE4是阿尔茨海默氏病最强的危险因素基因,与AD的发生、发展密切相关,本文对ApoE4的生物学属性及其与AD相关的Aβ沉积、tau蛋白磷酸化、脂质转运、葡萄糖代谢等相关性研究做个简要介绍。

　　ApoE4与AD的相关性

　　

　　ApoE亚型的结构。ApoE是一种可溶性分泌蛋白,其N端和C端结构域由一个中心铰链区连接。N端结构域包含受体结合结构域(以绿色表示),C端结构域包含脂质结合区域(以橙色表示)。每种异构体在氨基酸位置112和158处彼此不同。

　　人类ApoE的3种主要等位基因分别为E2、E3和E4,3个等位基因产物分别命名为ApoE2、ApoE3和ApoE4。虽然E3是人群中最常见的参考等位基因,但ApoE4是晚发性、散发性AD的最强遗传危险因素,有研究表明在42个晚发性AD家庭中所有60岁及以上成员ApoE4等位基因以剂量依赖的方式增加AD的风险,发病年龄随ApoE4等位基因数目的减少而降低。携带1个ApoE4等位基因使风险增加2-4倍,而拥有2个ApoE4等位基因的人的风险提高8-12倍。与非ApoE4携带者相比,ApoE4携带者发病年龄平均降低约12岁。ApoE2等位基因是晚发性AD的保护因素,随着ApoE2等位基因数目的增加,AD的发病风险降低,发病年龄增加。近年来,有研究发现,ApoE与Aβ的代谢、微管相关蛋白tau介导的神经变性、神经炎性反应、突触完整性、脂质运输、葡萄糖代谢等AD的过程密切相关。尽管自被鉴定以来已经过去了27年,但仍没有直接靶向ApoE4的药物被批准,部分原因可能是脂蛋白固有的“不可耐受性”。但是,动脉粥样硬化相关的研究已证明间接调节脂蛋白可以成为潜在的替代策略。因此了解介导ApoE4疾病风险的下游途径可能会明确治疗ApoE4介导的AD的治疗靶标。

　　ApoE4和Aβ病理学

　　星形胶质细胞和小胶质细胞均可清除Aβ(AD最重要的病理特征),尽管有证据表明ApoE4可以增加Aβ的产生,普遍认为与ApoE3和ApoE2相比,ApoE4可能因为Aβ清除不足导致AD患病风险升高。ApoE亚型不仅在脂质结合能力上有所不同,而且在对特定ApoE受体的亲和力上也有所不同。LRP1是ApoE的主要受体,它介导星形胶质细胞和周皮细胞中的Aβ清除,表达ApoE4的星形胶质细胞表面LRP1的表达降低,体内Aβ清除能力受损。然而,星形胶质细胞还利用其他ApoE受体(如LDLR)清除Aβ,但是是以非ApoE依赖性方式进行。此外,Aβ通过跨血脑屏障的转胞吞作用,淋巴和间质液大量流动以及细胞外降解酶得以清除,这也体现了ApoE4促进Aβ积累的复杂性。当Aβ产生过多或清除效率低时,就会造成Aβ在脑中积聚,从而引起一系列的病理生理表现。虽然目前关于ApoE4影响Aβ的产生、清除的机制还有待更深入的研究,但可以明确的是,ApoE4可以通过增加Aβ的沉积引起AD的发生和发展。

　　

　　ApoE在AD病理Aβ依赖性和Aβ依赖性途径中的作用:ApoE4的有害作用反映了其独特的结构和生物物理特性。

　　ApoE4和tau病理学

　　除了调节Aβ,ApoE还以亚型特异性的方式影响tau病理学(AD的另一个标志性病理特征)。在P301S tau小鼠模型中,ApoE4可以加重tau病理,并且ApoE4基因型与人类原发性tau病变中加重的神经退行性变相关。ApoE4状态与tau病理相关,尤其是在Aβ也存在的情况下。与表达ApoE2或ApoE3的胶质细胞相比,表达P301S tau的神经元与表达ApoE4的胶质细胞共培养时的存活率较低,而与表达ApoE4−/−的胶质细胞共培养时,神经元存活率更高,表明了ApoE4具有神经元特异性的和功能获得性的毒性。脑脊液tau含量较高与患者疾病进展更快和皮质可塑性降低有关,但仅在ApoE4携带者中存在,进一步巩固了ApoE4在加重tau病理中的作用。有证据表明ApoE可以在应激状态下由神经元表达,除了胶质细胞来源的ApoE4,神经元来源的ApoE4可能直接介导神经元中的tau毒性。

　　ApoE4和星形胶质细胞脂质稳态

　　与ApoE3相比,星形胶质细胞来源的ApoE4的脂质水平较低。因此,ApoE4脂质结合和转运不足可能会导致广泛性脑异常,最终导致AD风险增加。但是,尽管ApoE4的脂质转运能力很差,并且神经元依赖于星形胶质细胞提供的脂质,但ApoE4携带者一生中通常都具有正常的大脑功能。那么,衰老如何揭示ApoE4造成的这种缺陷呢?年轻的大脑可能有适当的机制来应对效率低下的ApoE4脂质运输;但衰老导致星形胶质细胞胆固醇合成降低,再加上来自ApoE4的流出减少,可能会破坏脂质代谢平衡并最终导致神经元脂质不足。ApoE4的状态可能会加重其他与年龄相关的脂质稳态的变化。虽然尚不清楚脂质代谢的这些变化是AD的原因还是结果,但可以预见衰老和ApoE相关的波动会加剧Aβ的病状,反之亦然,最终导致广泛的神经变性。

　　

　　星形胶质细胞ApoE4的脂质转运能力受损使神经元对老化过程中的变性敏感。表达ApoE3的星形胶质细胞(红色)向脑细胞,特别是神经元(黄色)提供正常水平的胆固醇和其他脂质,维持健康的神经元功能和认知。表达ApoE4的星形胶质细胞在脂质转运方面效率较低,再加上衰老相关的脂质失调,导致神经退行性变(边缘粗糙的神经元),导致ApoE4携带者易患阿尔茨海默病(AD)。

　　脂滴(LDs)是中性脂质在细胞内积累,对细胞脂质稳态尤其是星形胶质细胞至关重要,在星形胶质细胞中,LDs在控制神经元脂质和维持星形细胞能量需求方面起着双重作用。神经元中的活性氧(ROS)升高会诱导脂质过氧化,并触发随后的脂质流出,这些脂质以LDs的形式积聚在邻近的星形胶质细胞中,这是一种依赖于ApoE的神经保护性过程。过氧化脂质的增加与脂质稳态紊乱、磷脂酰胆碱合成减少、线粒体代谢下降和最终认知下降有关,ApoE通过转移脂质积累的负担并随后清除星形胶质细胞,减轻神经元的这种毒性。在果蝇神经变性模型中,就胶质细胞中LDs的神经保护形成而言,ApoE4完全丧失了功能,导致神经元细胞死亡。表明ApoE可能不仅在星形胶质细胞介导的脂质合成和向神经元的转移中起重要作用,而且作为神经元来源的过氧化脂质的受体也可能起相反的作用。

　　

　　毒性脂质从神经元向星形胶质细胞的神经保护性转移导致脂滴的形成,而在表达ApoE4的细胞中脂滴的形成被消除。诱发神经元活性氧(ROS)形成的物质或应激源导致毒性过氧化脂质水平升高。神经元通过ApoE将这些脂质转移到星形胶质细胞。随着ApoE3的表达,这种转移导致形成脂滴(黄点)和神经保护。相反,ApoE4的表达被认为可以阻止过氧化脂质转移到星形胶质细胞,导致星形胶质细胞中没有脂滴的形成和随后的神经退行性变。

　　ApoE4和星形胶质细胞葡萄糖代谢

　　大脑是一个高能量需求的器官,衰老过程中大脑葡萄糖利用率和线粒体功能的下降可能与AD危险因素(包括ApoE)相互作用,对神经元内稳态产生负面影响。一项包括老年女性和男性的研究发现,AD和ApoE4携带者的血糖水平与健康和非ApoE4携带者没有差异;ApoE4携带者的胰岛素和胰岛素抵抗略有下降,AD患者的胰岛素和胰岛素抵抗有所增加。表达ApoE4的老年(22个月)小鼠表现出皮层和海马的胰岛素信号转导减少,中年(6个月)雌性ApoE4小鼠在大脑中葡萄糖的摄取和利用不足,呼吸能力受损,PPARγ 信号降低。与神经保护性ApoE2相比,表达ApoE4或ApoE3的老年小鼠也发现胰岛素信号蛋白IGF1、IRS1和GLUT4表达下调,这与衰老本身导致葡萄糖代谢不足的观点相一致,与ApoE基因型无关。ApoE4携带者的能量不足可能会加剧,如脂质过度β-氧化和脂滴自噬对细胞功能越来越重要。与ApoE4相关的能量代谢缺陷也可能加剧衰老相关的有氧糖酵解下降。鉴于ApoE4将神经元过氧化脂质输送到星形胶质细胞进行清除的能力降低,ApoE4携带者的情况可能会更糟。

　　

　　不同的葡萄糖代谢模式在年轻人和老年人的大脑中选择是不同的。在年轻的大脑中,一般倾向于有氧糖酵解,这可能导致星形胶质细胞产生乳酸的增加,而星形胶质细胞应有助于增加神经元的活动。随着年龄的增长ROS产生增加以及脂质的过氧化程度增加。

　　

　　结语

　　ApoE4在介导AD风险中的作用是复杂和多因素的,涉及多种细胞类型和功能,在ApoE定向药物开发中需要加以考虑。过去十年的研究在确定这些功能以及衰老如何影响ApoE4介导的AD进展方面取得了重大进展。在衰老的过程当中,星形胶质细胞脂质稳态、脂滴形成和糖代谢都是维持大脑健康的重要途径,针对这些途径可能产生治疗AD的有效靶点,但其确切机制和与ApoE4的联系仍不清楚。目前还不清楚ApoE4介导的星形胶质细胞的功能紊乱如何增加AD风险,值得进一步研究。探究ApoE4与AD的联系及其调控AD发生、发展的分子机制可以为预防、诊断及治疗AD提供新的方向,这对于精准医学新兴时代的靶向治疗非常重要。

　　

　　ApoE4破坏星形胶质细胞的稳态途径,导致神经退行性变和AD。ApoE4的表达和正常的衰老过程本身会损害星形胶质细胞的特定途径,理论上可作为治疗AD的靶点。

　　参考文献:

　　1. Fernandez C G, Hamby M E, McReynolds M L, et al. The role of APOE4 in disrupting the homeostatic functions of astrocytes and microglia in aging and Alzheimer’s disease[J]. Frontiers in aging neuroscience, 2019, 11: 14.

　　2. Butterfield D A, Mattson M P. Apolipoprotein E and oxidative stress in brain with relevance to Alzheimer's disease[J]. Neurobiology of disease, 2020, 138: 104795.

　　3.付莎,袁忠明.阿尔茨海默病与载脂蛋白E的联系研究[J].现代医药卫生,2021,37(04):609-612.

　　文案 | 灵犀 审核 | 李迪迪