阿尔茨海默症“致病蛋白”APOE 新机制 | MedChemExpress

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去年6 月，承载无数希望的阿杜卡努单抗 (Aducanumab) 在众多质疑之中跌跌撞撞上市，似乎给早期 AD 患者带去了福音。但是，一个不得不承认的事实摆在大家眼前——至今，AD 仍然无法被治愈，所有的努力似乎只能提高患者的认知水平，延缓疾病的发展。

在对AD 发病机制的漫长探索中，有一个风险基因不得不被提到，那就是今天的主角 APOE ε4。

APOE ε4 基因与 AD 的发病风险

人类 APOE 基因位于第 19 号染色体，以三种多态性等位基因的形式存在，即 ε2、ε3 和 ε4，分别负责编码三种APOE 蛋白 (Apolipoprotein E)，即：APOE2、APOE3 和 APOE4。1996 年，Stritmatter 和 Roses 发现 APOE ε4 基因的携带者更容易患 AD。全基因组关联研究证实：APOE ε4 等位基因是迟发型 AD  (年龄超过 65 岁发病) 的最强风险遗传因素，而 APOE ε2 等位基因对 AD 有保护作用。
APOE 基因型的携带比例也会影响患 AD 概率，如携带一个 APOE ε4 等位基因，患 AD 风险提高 3-4 倍，而同时携带两个 APOE ε4 等位基因 (下文简称 APOE4 基因）的患病风险则提高 9-15 倍。

图 1. APOE4 基因是 AD 的主要遗传风险因素[3]

a：三种 APOE 蛋白突变体的结构；b：APOE4 基因剂量依赖性增加 AD 风险并降低发病年龄

■ APOE4，阿尔兹海默症 “预判者”？

作为阿尔茨海默病的主要易感基因，APOE4  如何做到“预判你的预判”？血脑屏障 (BBB) 的破坏是人类认知功能障碍的早期生物标记物。2020 年 4 月，Montagne 等人发表在Nature 的研究结果证明：APOE4 相关的认知衰退与血脑屏障 (BBB) 损伤有关，并且这种损伤早在 AD 发生之前就可以发生。

作者团队发现认知正常者的 APOE4 (ε3/ε4 和 ε4/ε4) 携带者的海马 (HC) 和内侧颞叶中 (PHG) 中的血脑屏障被破坏，但临床痴呆评分 (CDR) 评分均为0。当CDR=0.5 时，APOE4 携带者 HC 和 PHG 的血脑屏障破坏会进一步增加，且这种增加与脑脊液 (CSF) Aβ 和 tau 蛋白变化无关。

图 2. APOE4 携带者海马和海马旁回血脑屏障的破坏[5]  

a.HG和 PHG 的示意图 b. 动态对比增强磁共振成像技术在 APOE3 纯合子 和 APOE4 携带者的海马区 (HC) 生成血脑屏障 (BBB) 通透性 Ktrans 图。c. CDR 0 或 0.5 的情况下， APOE4 携带者HC 和 PHG 中的 Ktrans 值。

此外，Montagne 等人还研究发现与 APOE3 携带者相比，APOE4 携带者的脑脊液中周皮细胞损伤的生物标志物: 一种可溶性的蛋白质称为血小板源生长因子受体-β (sPDGFRβ) 也会升高。

AD 进程中，APOE 如何发力？

■ APOE 同种型的不同效力

ApoE2, ApoE3, and ApoE4 Differentially Stimulate APPTranscription and Aβ Secretion 一文表明人类神经胶质细胞 ApoE 的三种遗传同种型 (ApoE2、ApoE3 和ApoE4) 激活 APP 基因转录和 Aβ 合成方面的表现出不同的效力。

ApoE 以 ApoE4 > ApoE3 > ApoE2 效力等级顺序激活非经典 MAP 激酶信号通路: DLK → MKK7 → ERK1/2 MAP激酶途径，并且增强了 APP 转录和淀粉样蛋白-β 合成。

图 3. APOE 对 Aβ 的影响[8] a：ApoE2、ApoE3 和 ApoE4 刺激在 MEF 上培养的人类神经元分泌 Aβ40 和 Aβ42  b：添加 ApoE2、ApoE3 或 ApoE4刺激人类神经元中 MEF 上的 APP 合成.

■ 增加 Aβ 聚集以及抑制 Aβ 的清理

在前面的文章中，给大家介绍了目前关于 AD 的主流观点：脑内细胞外 β-淀粉样蛋白 (Aβ) 逐渐沉积和细胞内 Tau 蛋白聚集导致的神经元死亡和认知障碍 (见：阿尔兹海默症——消逝的世界)。

当Aβ 产生过多和/或清除效率不高时，就会发生 Aβ 聚集。淀粉样斑块的主要成分 Aβ 纤维的形成经历三个动力学阶段: 滞后期、生长期和平台期。APOE 对 Aβ 纤维形成的影响不一致，研究表明，APOE 在 Aβ 沉积的初始播种阶段起着至关重要的作用，在这个时期星形胶质细胞 APOE4 过表达会加剧淀粉样病变。

图 4. APOE 的异构体和 Aβ 的聚集和清除[9]

a. Aβ 从大脑中被移除的主要途径包括血脑屏障的清除、细胞摄取和随后的降解、酶降解、ISF体流的清除以及脑脊液吸收进入循环和淋巴系统。b. 大脑 Aβ 清除不足导致Aβ 积累。

■ APOE4 如何损伤大脑？

除了上述与“主流”观点相关的 APOE4 影响 AD 进程论。Thomas E. Willnow 等人在 Alzheimers Dement 杂志上发表了一项新研究，探索了AD 进程中，ApoE4 基因损伤大脑的新机制。

APOE 作为一种脂质转运蛋白，可以为神经元提供重要营养物质，包括不饱和脂肪酸 (神经元周围细胞膜的组成部分，PUFA)。APOE 的结合受体 sortilin，该受体介导将结合 apoE 的货物 (apoE-bound cargo；也就是营养成分) 摄取到神经元中。

作者团队将 Sort1defect (KO) 引入到带有编码人类 APOE3 或 APOE4 基因座，靶向替换小鼠 Apoe 位点 (E3; KO 或者E4; KO)。与野生型鼠 (WT) 相比，sortilin 的丢失会导致 KO 小鼠的皮质和海马中人 APOE3 和 4 (图 5a)。在 sortilin 缺陷小鼠中， Aβ40 水平增加了两倍 (图 5b)。

APOE4 破坏了 Sortilin 的营养物质摄取作用[12]

a. APOE3/4 的脑积聚。b. 可溶性 Aβ40 沉积。c.多不饱和脂肪酸 (PUFA) 的水平变化。d-e, APOE4破坏了 sortilin 的细胞表面再循环

作者团队还使用基于 LC-MS 的脂质组学来确定 (E3;KO) 和 (E4;KO) 小鼠脑皮质中各种不饱和脂肪酸 (PUFA) 的水平。APOE3 小鼠中，sortilin 的缺失会损害神经保护性 PUFA 摄取途径，增加淀粉样蛋白形成。APOE4 的野生型小鼠中有类似的现象。APOE4 会损害 sortilin 介导的神经元对脂质的摄取途径（图 5d-e)。这种损害使得神经细胞吸收的脂肪酸越来越少，神经细胞无法保护自己，导致发炎。

靶向 APOE 的治疗

在 AD 领域，靶向 APOE 的治疗主要集中在以下几个方面。

■ 增加 APOE 水平及其脂质化

大脑中的 APOE4 比 APOE2 和 APOE3 的脂化水平低且稳定，因此，增加大脑中的 APOE4 与脂质的结合，可能加速 Aβ 的清除。Bexarotene 通过诱导 ABCA1 和 ABCG1 基因表达，增强 APOE 的脂质化，并增加 APOE 的表达水平，可快速降低 AD 小鼠脑内的 Aβ 斑块负荷，改善认知能力。目前 Bexarotene 正在进行针对于 AD 治疗的临床试验 (NCT01782742)。

■ 阻断 APOE 与 Aβ 的相互作用抗 APOE 单克隆抗体 (HJ6.3) 可显著降低 APP/PS1 转基因记忆缺陷小鼠脑内不溶性 Aβ 水平、Aβ 斑块负荷和 APOE 水平。利用一种与 APOE 结合的合成多肽 Aβ12-28P 干扰 APOE 和 Aβ 的结合，可降低记忆缺陷小鼠的可溶性和不溶性 Aβ 水平和 Aβ 斑块负荷，并减少了APOE 在 Aβ 斑块中的沉积。

■ APOE 类似物APOE 类似物 (APOE 的 N 端片段，包括其受体结合基序) 已被证明可改善各种阿尔茨海默病小鼠模型中的 Aβ 水平和 Aβ 斑块负荷、tau 过度磷酸化和神经炎症，但尚未进入人类临床试验。

■ 基因治疗CRISPR-Cas9 编辑技术用于编辑转换 APOE 等位基因的应用已在细胞培养层面获得成功，但仍有待在小鼠敲除实验中验证。然而，应用基因治疗来表达 APOE ε2 并提高 APOE ε4携带者 (甚至是 APOE ε3纯合子) 中的 APOE ε2表达水平已成为可能，该方法正在进行临床试验 (NCT0363407)。
不难看出，科学家们对于 APOE 在 AD 方面的研究目前主要还停留在动物甚至是细胞或分子层面，真正进入临床试验的凤毛麟角，但是该靶点仍然被寄予厚望，希望在不久的将来能看到新的突破。

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参考文献

1. Strittmatter WJ, Roses AD. Apolipoprotein E andAlzheimer's disease. Annu Rev Neurosci. 1996;19:53-77.

2. Genome-wide association studyidentifies variants at CLU and PICALM associated with Alzheimer's disease. NatGenet. 2009 Oct;41(10):1088-93..

3. Liu CC, Liu CC, Kanekiyo T, Xu H, BuG. Apolipoprotein E and Alzheimer disease;risk,mechanisms and therapy. Nat RevNeurol.2013 Feb;9(2):106-18.

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15. Shi Y, Yamada K, et al. ApoE4markedly exacerbates tau-mediated neurodegeneration in a mouse model oftauopathy. Nature. 2017 Sep 28;549(7673):523-527.

16. Serrano-Pozo A, Das S, Hyman BT.APOE and Alzheimer's disease: advances in genetics, pathophysiology, andtherapeutic approaches. Lancet Neurol. 2021 Jan;20(1):68-80.Erratum in: LancetNeurol. 2021 Feb;20(2):e2.

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