Nat Neurosci: 卜国军团队报道外周apoE4加剧阿尔茨海默病病理及恶化认知的新机制
阿尔茨海默病（AD）的主要病理改变是淀粉样蛋白（Aβ）的累积。载脂蛋白E(apoE)分为ε4/3/2 三种亚型，在中枢神经系统（CNS）和外周都会表达。之前的研究显示apoE ε4是AD的显著危险因子。然而由于apoE在CNS和外周都有表达，因此很难判断外周apoE亚型对CNS功能和AD发病机理的独特作用。
Bu教授团队据此进行了相关的研究，并将其成果“Peripheral apoE4 enhances Alzheimer’s pathology and impairs cognition by compromising cerebrovascular function”于2022年8月发表于Nature Neuroscience杂志。
欢迎加入
全国ADPD学术讨论群
添加小编微信
brainnews_09
-留言：ADPD研究群-
1.不同的外周apoE亚型对脑功能的影响不同，外周apoE4损伤脑血管功能
该团队首先在Apoe敲除背景下构建出肝特异性表达人类apoE3（iE3/Cre+）和apoE4（iE4/Cre+）小鼠，确保其只在肝内表达apoE3和apoE4，并且将其分泌到血液中（图1.a-g）。他们对iE3和iE4小鼠的认知行为（场景/提示恐惧实验）以及学习记忆相关的电生理（长时程增强（LTP））进行检测，发现iE3小鼠的社交行为增强，LTP增强，而iE4小鼠的记忆功能损伤，LTP降低（图1.h-k）。
图1.肝表达的apoE3和apoE4对脑认知和突触功能的相反影响
之后，他们探究iE4小鼠的脑血管功能，结果显示，iE4小鼠的BBB渗漏明显增加，血浆蛋白也渗透到脑内，脑动脉的脑血流速度（CBF）明显降低，动脉血管舒张的频率降低，振幅升高，血管分支的数量减少（图2.a-f）。
此外，发现iE4小鼠出现明显的星形胶质细胞增生（图2.g）。iE4大脑的RNA-seq数据分析显示iE4的B细胞凋亡途径和内切酶活性上调，而细胞外基质、基膜、胶原蛋白和整合素途径下调（图2.h），这与iE4脑内胶原蛋白IV减少（图2.i，j）相符合。
图2.受损的脑血管完整性和星型胶质细胞增生与肝特异性表达apoE4相关
2.外周apoE4促进内皮细胞的免疫反应以及增加血管相关的胶质增生
之后，该团队将iE3和iE4小鼠脑内的血管相关细胞群分离，进行scRNA-seq分析，发现iE4来源的星形胶质细胞的固有免疫（Cxcl14, Cst3, Ly6c1，Ly6a）、抗原加工（H2-K1，Psmc6），血管内皮生长因子信号（Vegfa，Flt1)，基质重塑和迁移（Vwa1, Mgp, Spock2），氧化应激（Hspb1, Selenop），转化生长因子-β信号（Bmpr2, Ltbp4）基因上调，而协调突触功能（Gpc4），能量稳态（Atp2a2, Slc1a4）以及星形胶质细胞终足（Aqp4）的基因则下调，且AQP4蛋白（星形胶质细胞终足的标志物）在iE4小鼠中表达明显降低（图3）。
图3.血管富集的scRNA-seq显示降低的星形胶质细胞终足以及增加的免疫反应与肝特异性表达apoE4相关
iE4来源的内皮细胞的介导免疫反应（Ccl27a, Dusp1, Gkn3, Csf1，Cxcl12），抗原呈递（H2-Q7, H2-T23, Tapbp），细胞增值（Pdgfra）以及低氧/压力反应（Hspa1a, Hspa1b, Hsp90aa1）的基因上调，且iE4小鼠Cxcl12 、Gkn3蛋白表达增加，Vwf蛋白表达减低（图4）。此外，蛋白质组学也发现类似的结果（图5）。
图4.与肝特异性表达的apoE4相关的脑内皮细胞转录组特征
图5.ApoE亚型特异性改变血浆蛋白网络及与血管相关通路的关联
3.不同apoE亚型的年轻小鼠的血浆对老年小鼠产生的效果不同
该团队将年轻iE3和iE4小鼠的血浆注入到老年WT鼠中，发现iE3来源的血浆改善了老年鼠的认知功能以及BBB功能障碍，降低了血管相关的星形胶质细胞和小胶质细胞增生，增加了AQP4的表达，而注射iE4来源的血浆的老年鼠除了加重BBB渗漏以外，其余和WT没有显著区别（图6），这可能是因为apoE4消除了年轻血浆对老年鼠的有益作用。
图6.ApoE3和apoE4年轻小鼠的血浆对老年小鼠脑血管完整性和认知功能的不同影响
为了验证这一观点，该团队构建了一个iPSC来源的大脑微血管内皮细胞（BMECs），用iE3和iE4来源的血浆处理它，发现iE3处理的细胞的跨内皮细胞电阻（代表内皮连接的紧密度）明显增加，iE4则降低。对这些细胞进行RNA-seq分析和GO富集分析，发现Timp3与iE3密切相关，因此后续将Timp3与年轻iE4来源的血浆共同处理BMECs，发现其可以逆转iE4的负性作用（图7）。
图7.年轻血浆中ApoE亚型特异性对人类内皮细胞屏障完整性和转录组特征的影响
4.不同外周apoE亚型对脑Aβ的作用
为了探究外周apoE亚型对脑内Aβ沉积的影响，该团队在apoe敲除的背景下将iE3和iE4小鼠和APP/PS1小鼠（AD模型鼠）杂交，发现APP/iE3小鼠的Aβ沉积减少，可溶性和不可溶性的Aβ40和42减少，突触相关的PSD95增加，星形胶质细胞增生减少，而APP/iE4小鼠的改变则与APP/iE3相反（图8）。
图8.肝表达的apoE3和apoE4对Aβ沉积以及相关的神经炎症相反的影响
结 论
外周apoE会影响大脑的认知功能、血管功能以及AD的脑内病变，且apoE3具有保护性，而apoE4则具有破坏性。
参考文献
Chia-Chen L, et al. Peripheral apoE4 enhances Alzheimer’s pathology and impairs cognition by compromising cerebrovascular function. Nature Neuroscience, 2022. DOI: 10.1038/s41593-022-01127-0.
编译作者：KK（brainnews创作团队）
校审：Simon（brainnews编辑部）