Nature子刊綜述：APOE家族與阿爾茲海默的相愛相殺

摘要：大量研究發現APOE不僅會調控AD患者中大腦β-澱粉斑塊、tau蛋白和TDP43蛋白的表達水平，同時也會影響正常的大腦功能。此外，APOE4在促進Aβ通過血管壁轉運時的效率要低於APOE2，且當星形膠質細胞衍生的APOE存在時，血腦屏障相關的外周細胞清除Aβ過程受到損傷。

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載脂蛋白E（APOE）是一類糖蛋白，參與脂質代謝調控，在中樞神經系統中廣泛表達於星形膠質細胞、小膠質細胞和血管壁細胞以及脈絡叢細胞。APOE有三個等位基因突變體，分別是APOE*ε2、APOE*ε3和APOE*ε4。

研究發現，APOE是65歲後發的遲髮型阿爾茲海默症（AD）的主要風險因子，其中APOE*ε2對AD有保護作用，APOE*ε4會增強AD發病風險。攜帶的APOE基因型比例也會影響患AD概率，比如攜帶一個APOE*ε4患AD風險提高3-4倍，而同時攜帶兩個APOE*ε4的患病風險則提高9-15倍。大量研究發現APOE不僅會調控AD患者中大腦β-澱粉斑塊、tau蛋白和TDP43蛋白的表達水平，同時也會影響正常的大腦功能。

Nature Reviews Neurology上的這篇綜述探討了APOE基因型和Aβ纖維、tau蛋白纏結等AD病理標誌的相關性，總結APOE致病機制以及將來的靶向治療方法。筆者在此將致病作用分爲5個部分進行解讀，隨後將靶向治療分成三個部分解讀，最後總結治療所面臨的挑戰和待研究方向。

APOE生理特性

人源APOE蛋白大小爲34kDa，由299個氨基酸組成。當APOE從細胞內釋放後，細胞表面的ATP結合磁盒轉運子（ABCA1和ABCG1）會轉運膽固醇和磷脂，與APOE結合成磷脂蛋白顆粒，繼而與細胞表面受體結合，將膽固醇和其他磷脂重分佈到神經元中。LDL受體家族（LDLR和LRP1）是主要的APOE受體，參與到APOE介導的脂質代謝中。

APOE突變體由三個對應的等位基因編碼，等位基因之間不同的氨基酸多態性改變了APOE的結構和功能，導致APOE各突變體對APOE受體的親和力有所差異，因此導致對脂質的清除效率有所差異，與疾病的發生相關性也不一致。

此外，APOE也在不同程度上調控大腦的不同通路，包括脂質轉運，突觸完整性和可塑性，葡萄糖代謝和血管功能。在APOE*ε3/ ε 4健康人中，APOE4：APOE3的比例與灰質體積減少和大腦中異常糖代謝存在相關性。且在大腦中APOE4:APOE3大於1，CSF中小於1，意味着APOE在CNS和外周循環中代謝途徑和功能存在差異。

圖1：與脂質結合前後的APOE3蛋白的結構

APOE與Aβ

1. APOE對Aβ的清除

Aβ的清除途徑包括有通過血腦屏障清除、細胞吞噬和分解、酶分解、腦組織液流動清除、通過腦脊髓液循環至外周和淋巴系統。Aβ的清除與APOE的基因型和脂化狀態相關，APOE2和APOE3對Aβ具有清除能力而APOE4可加劇Aβ的沉積，尤其是在早期階段。

APOE2-Aβ和APOE3-Aβ複合物均可以通過血腦屏障上的VLDLR和LRP1得到清除，而APOE4-Aβ的清除則是通過LRP1到VLDLR，因爲VLDLR介導的APOE4-Aβ內吞比LRP1要慢，因此APOE4-Aβ的清除比APOE2和APOE3慢。此外，APOE4在促進Aβ通過血管壁轉運時的效率要低於APOE2，且當星形膠質細胞衍生的APOE存在時，血腦屏障相關的外周細胞清除Aβ過程受到損傷。

膠質細胞對Aβ的受體介導內吞和分解是Aβ清除的重要途徑之一。星形膠質細胞對Aβ的清除至少是部分依賴於APOE基因型和APOE受體，而APOE4能夠抑制細胞吞噬。此外，APOE介導的膽固醇外流能夠促進Aβ轉運至溶酶體，同時促進小膠質細胞分解胞外Aβ的效率。

APOE對其他的Aβ清除通路也有作用，包括外周血管外排和Aβ蛋白酶的水解作用。Aβ蛋白酶包括有腦啡肽酶和胰島素水解酶，決定了Aβ在腦內的濃度水平。對AD患者的研究發現，在攜帶有至少一個APOE4基因的患者大腦組織和血管中腦啡肽酶的表達水平，以及海馬中胰島素水解酶的表達量都顯著降低。因此APOE4的存在似乎損傷了蛋白酶的水解和外周血管外排途徑。

2. APOE與Aβ纖維的形成

APOE對Aβ纖維形成的作用是不連續的，對纖維形成的起始階段起着關鍵的作用，尤其是APOE4通過加速Aβ多肽的排列和成核來促進Aβ纖維的形成，能夠加速澱粉斑塊的病理狀態。在Aβ纖維形成初始階段降低APOE4和APOE3的表達能夠顯著減少澱粉斑塊。

3. APOE和Aβ的表達產生

HEK293細胞源APOE可以誘導人胚胎幹細胞和iPSC分化的神經元上APP轉錄和Aβ的產生，且APOE*ε4比其他基因型能夠更強地誘導Aβ表達，這可能是通過增加APP的轉錄來實現的。但是，在小鼠在體實驗中無法得出相似的結果，考慮到物種差異，因此無法準確解釋APOE是否真的能夠對APP基因產生Aβ多肽的這個過程起作用。

圖2：APOE對Aβ的清除通路和Aβ的纖維化

表1：APOE基因型、AD發病風險和β-澱粉斑塊沉積的關係

APOE與tau蛋白、α-突觸核蛋白以及

TDP43蛋白性疾病

APOE可以調控tau介導的神經退化和小膠質自我平衡、突觸完整性、脂質轉運、糖代謝和腦血管功能。APOE對tau蛋白的影響取決於β-澱粉樣斑塊的存在與否。

此外，目前無法說明APOE4是否通過Aβ依賴性機制來作用於α-突觸核蛋白，類似於tau蛋白的澱粉斑塊級聯假設，又或者是不依賴於Aβ。在AD中，APOE4和TDP43之間可能存在直接的聯繫，這種聯繫可能是獨立於Aβ的。

APOE的其他致病機制

前面提到，相對其APOE2和APOE3，APOE4更易引起AD的發病率。這是因爲APOE4可能在其他通路上促進大腦的病理發生過程。首先APOE4的神經營養功能不足，對脂質轉運的效率不如APOE2和APOE3。

此外，APOE4能夠增強小膠質細胞的促炎反應，促進神經退化，以及改變小膠質細胞膜上脂筏的結構，加速Aβ和tau蛋白的病變。在小膠質細胞缺失的小鼠模型中，APOE相關的澱粉樣斑塊表達水平持續減少，提示小膠質細胞可能是APOE相關的澱粉斑塊的重要來源。APOE4與突觸退化、Aβ低聚物在突觸的積累增加以及軸突密度、可塑性、穀氨酸受體減少有關。

研究還發現，APOE4獨立於Aβ的存在，參與年齡相關的糖代謝減少和胰島素通路。APOE4與胰島素受體接觸，將它們困在囊泡的內體結構中，因此損傷胰島素受體的轉運和相關信號通路。給予高脂肪飲食治療反而會進一步損傷小鼠的認知功能。

另外多重臨牀證據認爲無論是否在AD條件下，APOE4和腦血管完整性、功能之間的損傷存在聯繫。外周APOE4可能可以直接通過對BBB上的內皮細胞作用來調控大腦血功能，或者間接通過對脂代謝、動脈粥樣硬化和外周炎症來調控內皮細胞和神經元的功能。

APOE靶向性的AD治療

1. 調控APOE數量和脂化水平

目前研究方向主要針對於肝X受體（LXR）和類視黃醇X受體（RXR）的激動劑，主要的藥物是Bexarotene——RXR激動劑。Bexarotene能夠正向調控APOE基因的轉錄和分泌，減少AD小鼠的Aβ沉積，恢復認知功能。

但是該藥的中樞神經透過性很差，還會導致系統毒性，比如肝臟特定代謝通道被激活引起的高甘油三酯血癥。而基於Aβ病理發生和APOE脂化的APOE基因型依賴性作用，用腺病毒轉染使APOE*ε2基因在小鼠模型中過表達，能夠有效降低Aβ水平。

利用APOE抗體HJ6.3能夠明顯減少β-澱粉樣斑塊沉積，且在APOE4陽性小鼠中使用抗體HAE4治療也有同樣的結果。HAE-4能夠結合到Aβ斑上聚集的APOE，介導小膠質細胞的活化去吞噬澱粉斑塊。

用APOE類似物取代內源性APOE能夠減少Aβ沉積，降低tau過磷酸化和膠質細胞活化，但是對於人的APOE亞型中這種作用還不能確定。

此外，通過提高APOE蛋白的脂化水平，能夠調控Aβ的沉積。過表達Abca1增加APOE脂化就會降低Aβ沉積，而在純合APOE*ε4小鼠中敲除Abca1等位基因中的一個，加速了記憶丟失和Aβ沉積，這可能是由於缺少一個Abca1基因導致脂化異常的APOE4數量增加所引起的。目前增加APOE脂化對於Aβ病理發生的好處還不能完全確定。

2. 靶向APOE結構和與Aβ的結合

APOE4的N端結構與和C端結構與之間有個連接，這是一種致病的病理構象。在體外iPSC誘導的神經元中，利用小分子PH002可以破壞這個連接，減少APOE4的蛋白碎片，並減弱了APOE4對Aβ產生、tau蛋白磷酸化、GABA能神經元降解的作用。

利用基因編輯將APOE4的氨基酸序列轉換成APOE3或APOE2，能夠有效衰減膠質細胞相關的AD相關表型，這是通過增強膠質細胞內吞Aβ和減少Aβ沉積的方式達到的。利用合成多肽Aβ12-28P去阻止APOE和Aβ的結合，也可以減少Aβ沉積和不可溶tau蛋白的積累。

3. 靶向APOE受體

假如APOE對Aβ的清除是部分依賴於APOE受體，那麼過表達APOE受體也許能夠減少Aβ的病理沉積。在小鼠模型中，敲降Ldlr可增加Aβ沉積，過表達可以促進Aβ清除。

在神經元、星形膠質細胞、血管平滑肌細胞中條件性敲降Lrp1會增加Aβ的沉積。而用氟伐他丁來增加Lrp1的表達會減少Aβ沉積。但是這個方向需要更進一步的研究。