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  2. 研究进展

Nature子刊综述:APOE家族与阿尔兹海默的关系

载脂蛋白E(APOE)是一类糖蛋白,参与脂质代谢调控,在中枢神经系统中广泛表达于星形胶质细胞、小胶质细胞和血管壁细胞以及脉络丛细胞。APOE有三个等位基因突变体,分别是APOE*ε2、APOE*ε3和APOE*ε4。

研究发现,APOE是65岁后发的迟发型阿尔兹海默症(AD)的主要风险因子,其中APOE*ε2对AD有保护作用,APOE*ε4会增强AD发病风险。携带的APOE基因型比例也会影响患AD概率,比如携带一个APOE*ε4患AD风险提高3-4倍,而同时携带两个APOE*ε4的患病风险则提高9-15倍。大量研究发现APOE不仅会调控AD患者中大脑β-淀粉斑块、tau蛋白和TDP43蛋白的表达水平,同时也会影响正常的大脑功能。
Nature子刊综述:APOE家族与阿尔兹海默的关系
Nature Reviews Neurology上的这篇综述探讨了APOE基因型和Aβ纤维、tau蛋白缠结等AD病理标志的相关性,总结APOE致病机制以及将来的靶向治疗方法。笔者在此将致病作用分为5个部分进行解读,随后将靶向治疗分成三个部分解读,最后总结治疗所面临的挑战和待研究方向。
Nature子刊综述:APOE家族与阿尔兹海默的关系
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APOE生理特性
 
人源APOE蛋白大小为34kDa,由299个氨基酸组成。当APOE从细胞内释放后,细胞表面的ATP结合磁盒转运子(ABCA1和ABCG1)会转运胆固醇和磷脂,与APOE结合成磷脂蛋白颗粒,继而与细胞表面受体结合,将胆固醇和其他磷脂重分布到神经元中。LDL受体家族(LDLR和LRP1)是主要的APOE受体,参与到APOE介导的脂质代谢中。
APOE突变体由三个对应的等位基因编码,等位基因之间不同的氨基酸多态性改变了APOE的结构和功能,导致APOE各突变体对APOE受体的亲和力有所差异,因此导致对脂质的清除效率有所差异,与疾病的发生相关性也不一致。
此外,APOE也在不同程度上调控大脑的不同通路,包括脂质转运,突触完整性和可塑性,葡萄糖代谢和血管功能。在APOE*ε3/ ε 4健康人中,APOE4:APOE3的比例与灰质体积减少和大脑中异常糖代谢存在相关性。且在大脑中APOE4:APOE3大于1,CSF中小于1,意味着APOE在CNS和外周循环中代谢途径和功能存在差异。
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图1:与脂质结合前后的APOE3蛋白的结构
APOE与Aβ
1. APOE对Aβ的清除
Aβ的清除途径包括有通过血脑屏障清除、细胞吞噬和分解、酶分解、脑组织液流动清除、通过脑脊髓液循环至外周和淋巴系统。Aβ的清除与APOE的基因型和脂化状态相关,APOE2和APOE3对Aβ具有清除能力而APOE4可加剧Aβ的沉积,尤其是在早期阶段。
APOE2-Aβ和APOE3-Aβ复合物均可以通过血脑屏障上的VLDLR和LRP1得到清除,而APOE4-Aβ的清除则是通过LRP1到VLDLR,因为VLDLR介导的APOE4-Aβ内吞比LRP1要慢,因此APOE4-Aβ的清除比APOE2和APOE3慢。此外,APOE4在促进Aβ通过血管壁转运时的效率要低于APOE2,且当星形胶质细胞衍生的APOE存在时,血脑屏障相关的外周细胞清除Aβ过程受到损伤。
胶质细胞对Aβ的受体介导内吞和分解是Aβ清除的重要途径之一。星形胶质细胞对Aβ的清除至少是部分依赖于APOE基因型和APOE受体,而APOE4能够抑制细胞吞噬。此外,APOE介导的胆固醇外流能够促进Aβ转运至溶酶体,同时促进小胶质细胞分解胞外Aβ的效率。
APOE对其他的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蛋白酶包括有脑啡肽酶和胰岛素水解酶,决定了Aβ在脑内的浓度水平。对AD患者的研究发现,在携带有至少一个APOE4基因的患者大脑组织和血管中脑啡肽酶的表达水平,以及海马中胰岛素水解酶的表达量都显著降低。因此APOE4的存在似乎损伤了蛋白酶的水解和外周血管外排途径。
2. APOE与Aβ纤维的形成
APOE对Aβ纤维形成的作用是不连续的,对纤维形成的起始阶段起着关键的作用,尤其是APOE4通过加速Aβ多肽的排列和成核来促进Aβ纤维的形成,能够加速淀粉斑块的病理状态。在Aβ纤维形成初始阶段降低APOE4和APOE3的表达能够显著减少淀粉斑块。
3. APOE和Aβ的表达产生
HEK293细胞源APOE可以诱导人胚胎干细胞和iPSC分化的神经元上APP转录和Aβ的产生,且APOE*ε4比其他基因型能够更强地诱导Aβ表达,这可能是通过增加APP的转录来实现的。但是,在小鼠在体实验中无法得出相似的结果,考虑到物种差异,因此无法准确解释APOE是否真的能够对APP基因产生Aβ多肽的这个过程起作用。
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图2:APOE对Aβ的清除通路和Aβ的纤维化
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表1:APOE基因型、AD发病风险和β-淀粉斑块沉积的关系

APOE与tau蛋白、α-突触核蛋白以及

TDP43蛋白性疾病

 
APOE可以调控tau介导的神经退化和小胶质自我平衡、突触完整性、脂质转运、糖代谢和脑血管功能。APOE对tau蛋白的影响取决于β-淀粉样斑块的存在与否。
此外,目前无法说明APOE4是否通过Aβ依赖性机制来作用于α-突触核蛋白,类似于tau蛋白的淀粉斑块级联假设,又或者是不依赖于Aβ。在AD中,APOE4和TDP43之间可能存在直接的联系,这种联系可能是独立于Aβ的。

APOE的其他致病机制

 
前面提到,相对其APOE2和APOE3,APOE4更易引起AD的发病率。这是因为APOE4可能在其他通路上促进大脑的病理发生过程。首先APOE4的神经营养功能不足,对脂质转运的效率不如APOE2和APOE3。
此外,APOE4能够增强小胶质细胞的促炎反应,促进神经退化,以及改变小胶质细胞膜上脂筏的结构,加速Aβ和tau蛋白的病变。在小胶质细胞缺失的小鼠模型中,APOE相关的淀粉样斑块表达水平持续减少,提示小胶质细胞可能是APOE相关的淀粉斑块的重要来源。APOE4与突触退化、Aβ低聚物在突触的积累增加以及轴突密度、可塑性、谷氨酸受体减少有关。
研究还发现,APOE4独立于Aβ的存在,参与年龄相关的糖代谢减少和胰岛素通路。APOE4与胰岛素受体接触,将它们困在囊泡的内体结构中,因此损伤胰岛素受体的转运和相关信号通路。给予高脂肪饮食治疗反而会进一步损伤小鼠的认知功能。
另外多重临床证据认为无论是否在AD条件下,APOE4和脑血管完整性、功能之间的损伤存在联系。外周APOE4可能可以直接通过对BBB上的内皮细胞作用来调控大脑血功能,或者间接通过对脂代谢、动脉粥样硬化和外周炎症来调控内皮细胞和神经元的功能。

APOE靶向性的AD治疗

1. 调控APOE数量和脂化水平
目前研究方向主要针对于肝X受体(LXR)和类视黄醇X受体(RXR)的激动剂,主要的药物是Bexarotene——RXR激动剂。Bexarotene能够正向调控APOE基因的转录和分泌,减少AD小鼠的Aβ沉积,恢复认知功能。
但是该药的中枢神经透过性很差,还导致系统毒性,比如肝脏特定代谢通道被激活引起的高甘油三酯血症。而基于Aβ病理发生和APOE脂化的APOE基因型依赖性作用,用腺病毒转染使APOE*ε2基因在小鼠模型中过表达,能够有效降低Aβ水平。
利用APOE抗体HJ6.3能够明显减少β-淀粉样斑块沉积,且在APOE4阳性小鼠中使用抗体HAE4治疗也有同样的结果。HAE-4能够结合到Aβ斑上聚集的APOE,介导小胶质细胞的活化去吞噬淀粉斑块。
用APOE类似物取代内源性APOE能够减少Aβ沉积,降低tau过磷酸化和胶质细胞活化,但是对于人的APOE亚型中这种作用还不能确定。
此外,通过提高APOE蛋白的脂化水平,能够调控Aβ的沉积。过表达Abca1增加APOE脂化就会降低Aβ沉积,而在纯合APOE*ε4小鼠中敲除Abca1等位基因中的一个,加速了记忆丢失和Aβ沉积,这可能是由于缺少一个Abca1基因导致脂化异常的APOE4数量增加所引起的。目前增加APOE脂化对于Aβ病理发生的好处还不能完全确定。
2. 靶向APOE结构和与Aβ的结合
APOE4的N端结构与和C端结构与之间有个连接,这是一种致病的病理构象。在体外iPSC诱导的神经元中,利用小分子PH002可以破坏这个连接,减少APOE4的蛋白碎片,并减弱了APOE4对Aβ产生、tau蛋白磷酸化、GABA能神经元降解的作用。
利用基因编辑将APOE4的氨基酸序列转换成APOE3或APOE2,能够有效衰减胶质细胞相关的AD相关表型,这是通过增强胶质细胞内吞Aβ和减少Aβ沉积的方式达到的。利用合成多肽Aβ12-28P去阻止APOE和Aβ的结合,也可以减少Aβ沉积和不可溶tau蛋白的积累。
3. 靶向APOE受体
假如APOE对Aβ的清除是部分依赖于APOE受体,那么过表达APOE受体也许能够减少Aβ的病理沉积。在小鼠模型中,敲降Ldlr可增加Aβ沉积,过表达可以促进Aβ清除。
在神经元、星形胶质细胞、血管平滑肌细胞中条件性敲降Lrp1会增加Aβ的沉积。而用氟伐他丁来增加Lrp1的表达会减少Aβ沉积。但是这个方向需要更进一步的研究。
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图3:靶向APOE的精准医疗方向

药物研发面临的挑战

A. 尽可能最小化副作用:对APOE基因型,治疗间隔,治疗窗口,特定的生化特性,致病形式在体内的分布等治疗策略都需要进行研究来监控副作用;
B. APOE敲降和衰老的生理改变、AD发展的关系;
C. APOE靶向疗法对外周脂代谢和相关生理变化;
D. 识别调控AD病理发生的APOE下游的效应分子;
E. 整合创新技术,比如体内基因编辑,更有效地药物递送,可以加速临床转化。

待研究方向

A. 介导Aβ在脑内的外渗或内流的精准机制,即APOE亚型和Aβ受体的相互作用还需要研究;
B. 从脉络丛和CSF中产生的APOE通过淋巴液转运系统被转运至大脑内, APOE基因型对Aβ的淋巴清除通路还没有研究;
C. APOE与tau、α-突触核蛋白蛋白性疾病、TDP-43的病理之间的联系已经有所研究,但是其与病程的发展还没有揭示,应用能够疾病特异条件的模型进行也许能够更进一步揭示APOE病理对AD的影响;
D. AD早期血管调节异常,如何准确测定APOE4对大脑血管的影响来促进AD病程;
E. 大脑血管可能通过结合聚集增加的病理性蛋白如Aβ来降低认知和使功能失调,所以要在Aβ依赖性和Aβ独立的状态下分别研究其中的协同或相加机制;
F. APOE2虽然有对AD的保护作用,但是似乎也能增加CAA和CAA相关颅内出血的风险,以及增加小血管疾病的严重性。然而,APOE2对大脑血管的影响还未知。
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