Nat Neurosci︱首次! 神经元ApoE通过影响免疫应答基因引起AD病理的新机制
撰文︱王思珍
责编︱王思珍
阿尔兹海默症（AD），俗称老年痴呆症，是一种常见的多发于老年人群的神经退行性疾病。目前尚无有效的治疗办法。载脂蛋白E（apolipoprotein E，ApoE）是一种多态性蛋白，与脂质颗粒结合，参与脂蛋白的转化与代谢过程【1】。ApoE有3种亚型，即ApoE2、ApoE3、ApoE4，其中，ApoE4是AD的一个主要遗传危险因素，它既能增加AD的患病风险，又能提前AD的发病年龄【2-3】 。
在中枢神经系统中，ApoE蛋白主要产生自星形胶质细胞，但在一些应激、损伤和衰老条件下，神经元也会产生ApoE；神经元ApoE4可以诱导tau蛋白病理，导致神经炎症和神经元损伤，并损害学习和记忆功能【4-6】 。
在AD中，相比较于其他脑区的神经元，海马和内嗅皮层的神经元更具有易感性，即更容易受到疾病因素的影响，然而，在这些易感神经元中，一些神经元很快死亡，而另一些则表现出很强的恢复能力，包括恢复其原有机制的能力，也就是说，在AD中神经元会发生不同的神经退行性变【2, 7-8】。除AD外，很多其他神经退行性疾病中也有类似的现象。那么，这种易感性差异、或这种选择性神经退行性变背后的驱动机制是什么？相关的知识我们并十分不清楚。
2021年5月6日，在以Neuronal ApoE upregulates MHC-I expression to drive selective neurodegeneration in Alzheimer’s disease为题发表在Nature Neuroscience的最新论文中，美国格莱斯顿神经疾病研究所（Gladstone Institute of Neurological Disease）的黄亚东（Yadong Huang）研究团队首次发现了神经元中ApoE表达与免疫应答因子MHC-I表达、以及随后与tau病理和选择性神经退行性变之间的联系。
首先，研究人员对不同月龄的ApoE基因（ApoE3和ApoE4）敲入雌鼠的海马进行了单核RNA测序分析，其中，鉴定了16不同的神经元类群，包括齿状回颗粒细胞、CA1/CA2/CA3椎体细胞等，在这些神经元类中，ApoE的敲入表达与不同的神经元类型之间有很强的相关性，且不同神经元中ApoE的表达水平也不一样，这些提示着ApoE可能是细胞间变异的主要促使因子。在对这些不同类型神经元中ApoE4的表达信号通路富集分析时，发现，ApoE4主要参与4类细胞信号通路：细胞代谢、神经退行性变、未折叠蛋白应答、DNA损伤和修复、以及免疫反应。但在星形胶质细胞、少突胶质细胞前体细胞等非神经元细胞中，这些信号通路的富集性反而微弱，这表明ApoE表达对细胞信号通路的影响依赖于细胞类型。
那么，在AD患者大脑中是否也富集这些细胞信号呢？于是，作者对轻度认知损伤（MCI）病人和AD人的皮质也进行了单核RNA测序分析，发现，近30%的神经元高表达ApoE，且表达水平在不同疾病状态和不同神经元中也存在差异；同时病人ApoE表达的相关信号通路与小鼠有43%的相似性，包括上述4类细胞信号通路。这些结果表明了AD患者和ApoE基因敲入小鼠的数据分析结果的一致性和ApoE参与机制的相似性，也暗示了小鼠模型到人类患者的疾病治疗转换潜力。
ApoE的mRNA在不同细胞类型中的水平和分布如何？作者注意到，ApoE在不同类型的海马神经元细胞的表达和分布有明显差异，且这种差异与小鼠年龄有关。具体而言，在小鼠状回颗粒细胞和CA1椎体细胞，亚型ApoE4基因表达水平在5月龄快速上升，约10月龄到达最高水平，随后随着年龄增加表达水平开始快速下降，约20月龄表达水平降至最低；ApoE另一种亚型，即ApoE3，表达变化趋势则比较缓慢，约15月龄才达到最高水平，然后快速下降； 在生长激素抑制素/小清蛋白中间神经元中，ApoE4和ApoE3的表达呈先降后升的趋势，ApoE3的表达在月龄时降至最低，而ApoE4-KI这种降低速度更快、幅度更大。这些数据综合表明：神经元ApoE，特别是亚型ApoE4，在AD相关的选择性神经元变性和丢失中可能起着因果作用。 星形胶质细胞中ApoE的表达则没有这种与年龄和基因亚型相关的变化。另外，作者发现，高表达ApoE的神经元类群（兴奋性神经元和抑制性神经元）与疾病前期（即轻度认知损伤阶段）有很好的相关性，而在疾病后期（即AD痴呆阶段）这种相关性则降低，且随着疾病进程，高表达ApoE的神经元的数量减少，越往疾病后期，数量减少则越多。
那么，ApoE基因缺失是否可以缓解或阻止神经推行性变？作者发现，在老年ApoE敲入小鼠的神经元中，再特异性地敲除ApoE基因可以阻止神经元、突触和海马体积的丢失，这凸显了神经元中ApoE在一般神经退行性变中的关键作用。
免疫信号通路在AD发病机制中具有重要作用。在此，结果也表明，ApoE表达也参与相关的免疫应答途径，其中有个表达丰富且与ApoE表达有强相关性的免疫信号通路基因MHC-I，全称为主要组织相容性复合体类I（the major histocompatibility complex class I）（注：MHC是一组编码动物主要组织相容性抗原的基因群的统称。人类的MHC被称为HLA（即人白细胞抗原），小鼠MHC则被称为H-2【9】）。那么，神经元中ApoE表达与MHC表达之间是否存在因果关系？结果显示，在小鼠神经元中，ApoE的表达均能够在mRNA和蛋白水平上诱导MHC-I基因的表达；在人类病人的神经元中，现象类似，ApoE的表达也会导致MHC-I和β2微球蛋白（B2M）基因的表达上调，B2M是MHC-I表达的一个主要调节因子。
文章最后，作者研究了神经元ApoE表达与AD相关病理之间的关系。首先，免疫染色等实验表明，神经元ApoE4表达的下游与AD相关的tau蛋白病理有关， 且这些tau蛋白病理实际上是由神经元中功能性MHC-I表达所介导的。其次，进一步验证发现，在神经元中，ApoE和MHC-I信号转导在相同或相关的途径中发挥作用，并导致AD相关的tau病理。那么，降低MHC-I基因的表达水平，是否能够缓解tau病理呢？研究人员在小鼠海马神经元中特异性地敲除MHC-I的主要调节因子B2M，以降低MHC-I的表达水平，发现，tau蛋白病理获得了显著改善，表现为总tau和磷酸化tau的表达水平降低；而且，在MCI和AD病人中，也发现，MHC-I基因对tau蛋白缠结病理有显著影响，而不是对β-淀粉样蛋白病理。这些结果整体表明：降低 MHC-I的功能性表达可以改善神经元ApoE诱导的tau病理。
文章模型图：神经元ApoE上调MHC-I，继而驱动tau病理和特定神经元和突触的神经退行或丢失
（图片引自：Zalocusky, K.A., Najm, R., Taubes, A.L. et al. (2021) Nat Neurosci）
第二、本研究也提供了这样一个证据，即神经元中ApoE诱导的MHC-I过表达可能作为一种潜在的“吃掉我”信号，一种从应激神经元或损伤神经元到免疫效应细胞（如小胶质细胞或T细胞）的潜在信号。
第三、当然，本研究为ApoE在AD发病机制中的作用方面提出了许多新问题。比如， 正常生理和疾病条件下，神经元ApoE的表达是如何被调控的? 神经元中ApoE调控MHC-I表达的分子和细胞机制是什么? 神经元ApoE-MHC-I信号轴能否能将应激或损伤神经元传递给到免疫效应细胞，以执行“吃掉我”的过程? 神经元ApoE-MHC-I信号轴如何引起AD相关的tau蛋白病理? ApoE-MHC-I信号轴的调控及其在AD发病机制中的作用是否存在病人性别差异? 这些问题的回答将有助于阐明AD发病机制，也有助于更好地理解神经退行性疾病中神经元的选择性神经退行。
第四、本研究也为开发预防或治疗AD选择性神经退行性变的药物提供了潜在的新靶点，比如，降低或阻断神经元中ApoE的表达，断开神经元中ApoE-MHC-I信号轴，抑制MHC-I诱导tau病理的机制，或阻断MHC-I从神经元向免疫效应细胞的呈递。
总的来说， 本研究首次揭示了神经元中ApoE可以通过MHC-I引起AD相关的tau病理。分析AD的ApoE-MHC-I-tau病理轴的神经元内部机制，并探索小胶质细胞在这一病理过程中的潜在作用，将是未来工作的关键。
参考文献（上下滑动查看）
【1】Huang Y, Mahley RW. Apolipoprotein E: structure and function in lipid metabolism, neurobiology, and Alzheimer's diseases. Neurobiol Dis. 2014
【2】Huang, Y. & Mucke, L. Alzheimer mechanisms and therapeutic strategies. Cell 148, 1204–1222 (2012).
【3】Najm, R., Jones, E. A. & Huang, Y. Apolipoprotein E4, inhibitory network dysfunction, and Alzheimer’s disease. Mol. Neurodegener. 14, 24 (2019).
【4】Wang, C. et al. Gain of toxic apolipoprotein E4 effects in human iPSC-derived neurons is ameliorated by a small-molecule structure corrector. Nat. Med. 24, 647–657 (2018).
【5】Xu, Q. et al. Profile and regulation of apolipoprotein E (apoE) expression in the CNS in mice with targeting of green fluorescent protein gene to the apoE locus. J. Neurosci. 26, 4985–4994 (2006).
【6】Lin, Y.-T. et al. APOE4 causes widespread molecular and cellular alterations associated with Alzheimer’s disease phenotypes in human iPSC-derived brain cell types. Neuron 98, 1141–1154 (2018).
【7】Fu, H., Hardy, J. & Duff, K. E. Selective vulnerability in neurodegenerative diseases. Nat. Neurosci. 21, 1350–1358 (2018).
【8】Andrews-Zwilling, Y. et al. Apolipoprotein E4 causes age- and tau-dependent impairment of GABAergic interneurons, leading to learning and memory deficits in mice. J. Neurosci. 30, 13707–13717 (2010).
【9】Kulski JK, Shiina T, Anzai T, Kohara S, Inoko H. Comparative genomic analysis of the MHC: the evolution of class I duplication blocks, diversity and complexity from shark to man. Immunological Reviews. 190: 95–122 (2002).
制版︱王思珍
本文完