Sci Transl Med︱新发现！APOE3-V236E变异降低老年痴呆风险的分子机制
撰文︱付慧敏
责编︱王思珍
阿尔茨海默病（AD）是一种进行性神经退行性疾病，也是老年人群痴呆最常见的原因，具有很强的遗传成分 [1]。先前研究发现，淀粉样前体蛋白基因 （APP）中存在一种预防AD痴呆的变异（APP-A673T），且在减少淀粉样蛋白 (Aβ) 产生方面具有深远功能[2]，这表明疾病发病机制的核心基因也可能存在保护性变异，以防止疾病发生。因此，鉴别保护痴呆和促进健康大脑老化的遗传因素可能为疾病的病因学和药物靶向策略提供帮助。
载脂蛋白E（APOE）基因的等位基因是AD和路易体痴呆（DLB）的主要遗传危险因素，而APOE2可以预防AD和DLB的发生[3, 4]。近来，研究发现APOE3突变可能通过减少APOE与肝素的相互作用，进而对常染色体显性AD具有耐药性[5]。卜国军课题组前期也发现APOE3-V236E变异对AD痴呆具有保护作用[6]，然而该变异预防AD风险的机制尚不清楚。
近期，美国梅奥诊所的Chia-Chen Liu（第一作者，通讯作者）、卜国军（通讯作者） 等人在Science Translational Medicine上在线发表了题为“APOE3-Jacksonville (V236E) variant reduces self-aggregation and risk of dementia”的研究论文。该课题组通过人类遗传和病理分析以及在细胞和动物模型中的功能分析，证明了APOE3-Jacksonville (V236E) 变异可促进健康大脑的老化、通过减少APOE的自结合和增加脂质化来减少Aβ的沉积，并发现该基因变异对Aβ相关的APOE生成、斑块负荷和毒性的改善作用。该研究揭示APOE聚集在AD和DLB发病机制中具有重要意义，为痴呆患者APOE聚集的治疗策略的发展提供了见解。
课题组先前在AD病人中发现了APOE3-Jacksonville (V236E)变异（下文简称APOE3-Jac）（图1A），该变异降低了AD风险[6]。那么，问题来了，其潜在的保护性机制是什么呢？不同于AD患者的大脑，携带APOE3-Jac变异的患者（>85岁）大脑表现出正常的结构、Aβ阴性、神经退行阴性（图1B, C）。在APOE3和APOE3-Jac携带者的大脑中，可溶性APOE的水平没有差异；APOE3-Jac携带者脑组织不溶性APOE的水平显著降低、可溶性/不溶性APOE的比例增加（图1D, E），这表明该APOE变异可能具有降低蛋白聚集的功能。此外，该变异携带者大脑中的可溶性Aβ42、不溶性Aβ40与Aβ42的含量均显著降低（图1F, G）。免疫组化发现，APOE3大脑中存在典型的核心致密Aβ斑块，而APOE3-jac变异大脑有一些弥漫性、非定形的Aβ沉积、或无任何斑块病理 （图1H）。这些结果表明APOE的自我聚集可能会促进对Aβ的聚集和沉积。换言之，APOE3-Jac携带者体中APOE聚集的减少可能是其对AD发展发挥保护作用的关键机制。
图1 APOE3-Jac载体大脑中APOE聚集和不溶性Aβ减少
（图源：Liu et al., Sci Transl Med, 2021）
那么，APOE3-Jac变异是如何影响APOE3聚集的呢？作者发现APOE3-Jac变体位于APOE3的脂质结合区域附近，也位于APOE寡聚区域内（图2A）。首先分子排阻色谱和分子交联结果显示，野生型APOE3主要以低聚体的形式存在，而APOE3-jac主要为单体形式（图2B-D)。其次考虑到参与APOE自聚集的区域与脂质结合的区域重叠，他们检测了APOE3与APOE3-Jac变体的脂质加载特性，发现与APOE3相比，APOE3-Jac变体在促进胆固醇外排更有效（图2E, F)。为了评估这种变异是否也与人类大脑中更丰富的胆固醇有关，研究人员在自然条件下对APOE进行了免疫沉淀，发现APOE3-jac变异大脑中的胆固醇-APOE比率高于APOE3大脑（图2G）。这些结果表明APOE3-jac变异可减少APOE自聚集并增加脂质化。
图2 APOE3-Jac变异减少了APOE的聚集，增强了脂质结合
（图源：Liu et al., Sci Transl Med, 2021）
为了研究APOE3-Jac变异是否在体内影响Aβ的发病机制，课题组通过AAV介导的基因传递建立了表达APOE3或APOA3-Jac的5xFAD Aβ模型小鼠。他们发现与表达AAV-APOE3的小鼠相比，表达AAV-APOE3-Jac小鼠的Aβ沉积、不溶性Aβ40和Aβ42、纤维斑块负荷都显著减少（图3A-C），与Aβ斑块相关的APOE、小胶质细胞聚集也显著减少（图3D, E）；回归分析显示斑块相关的APOE与淀粉样斑块的负荷、斑块周围小胶质细胞的数量呈正相关（图3F, G）；淀粉样斑块周围的营养不良神经突起也显著减少，且斑块相关的神经炎性营养不良与APOE的水平呈正相关（图3H, I）。这一结果表明斑块相关的APOE3而不是APOE3-Jac，促进了Aβ沉积和相关的神经毒性。
图3 APOE3-Jac变异减少了淀粉样蛋白模型小鼠的Aβ沉积和斑块相关毒性
（图源：Liu et al., Sci Transl Med, 2021）
APOE4是晚发性AD的最强遗传危险因素，因此课题组进一步深入了解了APOE4在AD中的聚集状态。首先他们发现APOE4聚集倾向的增加可能促进了Aβ在AD中的聚集和沉积。那么APOE4-Jac（V2346E）变异是否能改变APOE4的聚集特性呢？于是他们检测了野生型APOE4和APOE4-Jac的分子大小，分子排阻色谱、交联分析结果均显示野生型APOE4主要以低聚物存在，而APOE4-Jac主要以单体存在，少数以低聚物存在（图4A-C），此结果也与作者前面结果相一致（图2 B-D）。交联分析也显示，APOE4-Jac对肝素的亲和力较低，APOE4-Jac聚集也减少（图4D-F）。此外细胞中APOE3-Jac与APOE4共表达可减缓APOE4低聚化特性。
图4 APOE4-Jac（V2346E）变异能够减少APOE4的聚集
（图源：Liu et al., Sci Transl Med, 2021）
总的来说，本研究显示，APOE3-Jac变异通过减少其自身聚集，继而减少淀粉样斑块和相关毒性，并促进脂质化，从而来保护AD和相关痴呆。本研究揭示了APOE聚集的潜在致病机制以及斑块相关的小胶质细胞反应和神经毒性，这对APOE相关疾病的发病机制和设计基于机制的APOE靶向治疗具有重要意义。
本研究仍存在几个局限性：首先，虽然研究证明了APOE3-Jac在调节Aβ病理中的关键作用；然而APOE3-Jac是否影响tau病和tau蛋白介导的神经毒性，还需进一步研究。其次，本研究使用星形胶质细胞特异性启动子来表达APOE3或APOE3-Jac，然而大脑中APOE绝大多数产生于星形胶质细胞，且最近也发现在正常衰老和AD病理小胶质细胞中APOE的表达显著上调[7]，因此未来研究应探索APOE3-Jac在其它大脑细胞类型（如小胶质细胞）中的的作用。第三，由于APOE3-Jac变异的频率相对较低，且本研究中人类研究的样本量小，接下来需要在更大的或独立的队列中进行探究。
原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/scitranslmed.abc9375
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制版︱王思珍
本文完