Neuron | 过表达低密度脂蛋白受体LDLR降低tau介导的神经退行性病变–APOE相关的机制研究
阿尔兹海默症 (AD) 是一种最常见的神经系统退行性疾病，在病理上主要表现为大脑中淀粉样蛋白斑块 (Aβ plaque) 的堆积，以及tau蛋白形成的神经纤维缠结 (tau tangle)。APOE是AD的最大的风险基因。APOE是一种载脂蛋白，主要介导脂质分子在细胞间的运输。在大脑中，APOE主要由星形胶质细胞分泌，小胶质细胞也有少量表达。人类具有三种APOE的等位基因: APOE2, APOE3, APOE4。携带APOE4的人群患AD的风险大幅增加，且大脑萎缩与认知损伤程度显著增高。之前的大量研究表明APOE4能够促进plaque的堆积，因此以往普遍认为APOE影响AD的主要方式是通过调控 Aβ。
2017年，圣路易斯华盛顿大学David M. Holtzman团队在Nature上发表文章发现，APOE可以独立于Aβ而直接调控病理性tau的生成以及tau介导的神经退行性病变【1】。在tauopathy的小鼠模型中，APOE的表达强烈地促进病理性tau的生成及大脑萎缩，其中表达APOE4的小鼠程度更甚。而当APOE被敲除后，病理性tau大幅降低，且小鼠的大脑几乎完好无损。2019年，团队还发现，小胶质细胞的激活是病理性tau形成及大脑萎缩的主要驱动力【2】。当小胶质细胞被清除时，病理性tau的生成随即中止，小鼠大脑也几乎不发生任何萎缩。而APOE本身具有免疫调节功能，其主要通过激活小胶质细胞促进病理性tau的生成及大脑萎缩 【3】。然而，APOE在机制上如何调控小胶质细胞的激活，以及以APOE为靶向的治疗策略能否抑制小胶质细胞的激活并减少病理性tau的生成与神经退行性病变，仍是未解之题。
2021年6月21日，David M. Holtzman团队（第一作者为Yang Shi博士）在Neuron上发表文章Overexpressing low-density lipoprotein receptor reduces tau-associated neurodegeneration in relation to apoE-linked mechanisms，探索了靶向APOE对tauopathy的影响，并通过单细胞核测序进一步研究了APOE对小胶质细胞激活的调控机制及其对病理生成其他方面的作用。
为靶向APOE, 研究人员在tauopathy小鼠中引入了一种APOE的代谢受体LDLR (低密度脂蛋白受体) 的转基因。该转基因主要在神经元与星形胶质细胞中表达，其可结合细胞外液中的APOE，通过内吞作用将APOE降解。携带LDLR转基因的tauopathy小鼠脑脊液及大脑组织中的APOE含量降低了90% ，与之相应，大脑中小胶质细胞的激活减少，病理性tau的生成及大脑萎缩程度显著降低。有趣的是，研究人员发现LDLR转基因在小胶质细胞中也有表达，并细胞自主性地 (cell-autonomously) 诱发小胶质细胞中Apoe基因表达的下调及APOE蛋白合成的显著减少。之前的研究表明，小胶质细胞合成的APOE可以细胞自主性地促进小胶质细胞的激活，且激活的小胶质细胞强烈上调其自身Apoe基因的表达【3】。研究人员发现LDLR过表达的小胶质细胞不仅在正常生理条件下Apoe基因表达受到抑制，在病理激活条件下也无法正常上调Apoe基因的表达，且其激活受到显著抑制，表型与APOE敲除的小胶质细胞类似，提示LDLR除了降低细胞外液中的APOE，也可能通过下调小胶质细胞合成的APOE调控小胶质细胞的激活。
为了进一步理解APOE及LDLR的作用机制，研究人员对样品进行了单细胞核测序。通过对小胶质细胞的子群分析，分别鉴定出与APOE敲除及LDLR过表达相关的小胶质细胞子群。通过基因表达谱分析与实验验证，发现与正常的野生型小胶质细胞相比，APOE敲除的小胶质细胞代谢模式发生了明显的改变，其与分解代谢相关的基因及蛋白显著上调，溶酶体功能也显著增强；相反，与合成代谢（如mTOR pathway）相关的基因和蛋白质在病理激活条件下则被显著抑制。由于合成代谢为免疫细胞激活所必需，APOE对于小胶质细胞代谢的调节很可能是其调控小胶质细胞激活的一个关键机制。LDLR过表达的小胶质细胞具有与APOE敲除的小胶质细胞相似的代谢改变，同时也呈现出一个独特的特征，即在病理激活状态下上调某些特定离子通道与神经递质受体基因，提示 LDLR也可能通过调节小胶质细胞的电生理调控其激活。
接着，研究人员对星形胶质细胞做了子群分析，鉴定出一个在tauopathy中被激活的星形胶质细胞子群，并发现APOE敲除及LDLR过表达减少了星形胶质细胞的激活。更有趣的是，研究人员发现了一个在APOE敲除及LDLR过表达小鼠中高度富集的细胞子群，即少突胶质细胞祖细胞 (Oligodendrocyte precursor cells, OPCs)。该细胞可分化为成熟的少突胶质细胞，从而促进神经髓鞘的形成。通过髓磷脂染色及电镜观察，还发现tauopathy和衰老的小鼠存在不同程度的脱髓鞘病变，而破损的髓鞘碎片可能是小胶质细胞激活的一个重要诱因。APOE敲除及LDLR过表达的小鼠在tauopathy和衰老的条件下髓鞘的完整性要显著高于野生小鼠，这可能归因于其拥有更多的OPCs，从而促进了髓鞘的损伤修复。APOE对于OPC与髓鞘的调控揭示了其在神经退行性疾病中新的功能。
APOE可通过多种机制调控tau介导的神经退行性病变，包括调节小胶质细胞的免疫代谢及其激活，调控OPC池及髓鞘的完整性，以及调节星形胶质细胞的激活。LDLR过表达可降低tau介导的神经退行性病变，其作用机制在很大程度上与APOE重合。这些发现为靶向APOE的tauopathy治疗策略提供了新的思路。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.neuron.2021.05.034
参考文献
1. Shi, Y., Yamada, K., Liddelow, S.A., Smith, S.T., Zhao, L., Luo, W., Tsai, R.M., Spina, S., Grinberg, L.T., Rojas, J.C., et al. (2017). ApoE4 markedly exacerbates tau-mediated neurodegeneration in a mouse model of tauopathy. Nature 549, 523-527. 10.1038/nature24016.
2. Shi, Y., Manis, M., Long, J., Wang, K., Sullivan, P.M., Remolina Serrano, J., Hoyle, R., and Holtzman, D.M. (2019). Microglia drive APOE-dependent neurodegeneration in a tauopathy mouse model. J Exp Med. 10.1084/jem.20190980.
3. Krasemann, S., Madore, C., Cialic, R., Baufeld, C., Calcagno, N., El Fatimy, R., Beckers, L., O'Loughlin, E., Xu, Y., Fanek, Z., et al. (2017). The TREM2-APOE Pathway Drives the Transcriptional Phenotype of Dysfunctional Microglia in Neurodegenerative Diseases. Immunity 47, 566-581.e569. 10.1016/j.immuni.2017.08.008.
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