阿爾茨海默癥“致病蛋白”APOE 新機制
在對 AD 發病機制的漫長探索中，有一個風險基因不得不被提到，那就是今天的主角 APOE ε4。
APOE ε4 基因與 AD 的發病風險
人類 APOE 基因位于第 19 號染色體，以三種多態性等位基因的形式存在，即 ε2、ε3 和 ε4，分別負責編碼三種 APOE 蛋白 (Apolipoprotein E)，即：APOE2、APOE3 和 APOE4。1996 年，Stritmatter 和 Roses 發現 APOE ε4 基因的攜帶者更容易患 AD。全基因組關聯研究證實：APOE ε4 等位基因是遲發型 AD (年齡超過 65 歲發病) 的最強風險遺傳因素，而 APOE ε2 等位基因對 AD 有保護作用。
APOE 基因型的攜帶比例也會影響患 AD 概率，如攜帶一個 APOE ε4 等位基因，患 AD 風險提高 3-4 倍，而同時攜帶兩個 APOE ε4 等位基因 (下文簡稱 APOE4 基因）的患病風險則提高 9-15 倍。
圖 1. APOE4 基因是 AD 的主要遺傳風險因素[3]
a：三種 APOE 蛋白突變體的結構；b：APOE4 基因劑量依賴性增加 AD 風險并降低發病年齡
■ APOE4，阿爾茲海默癥 “預判者”？
作為阿爾茨海默病的主要易感基因，APOE4 如何做到“預判你的預判”？血腦屏障 (BBB) 的破壞是人類認知功能障礙的早期生物標記物。2020 年 4 月，Montagne 等人發表在 Nature 的研究結果證明：APOE4 相關的認知衰退與血腦屏障 (BBB) 損傷有關，并且這種損傷早在 AD 發生之前就可以發生。
作者團隊發現認知正常者的 APOE4 (ε3/ε4 和 ε4/ε4) 攜帶者的海馬 (HC) 和內側顳葉中 (PHG) 中的血腦屏障被破壞，但臨床癡呆評分 (CDR) 評分均為0。當 CDR=0.5 時，APOE4 攜帶者 HC 和 PHG 的血腦屏障破壞會進一步增加，且這種增加與腦脊液 (CSF) Aβ 和 tau 蛋白變化無關。
圖 2. APOE4 攜帶者海馬和海馬旁回血腦屏障的破壞[5]
a.HG 和 PHG 的示意圖 b. 動態對比增強磁共振成像技術在 APOE3 純合子 和 APOE4 攜帶者的海馬區 (HC) 生成血腦屏障 (BBB) 通透性 Ktrans 圖。c. CDR 0 或 0.5 的情況下， APOE4 攜帶者 HC 和 PHG 中的 Ktrans 值。
此外，Montagne 等人還研究發現與 APOE3 攜帶者相比，APOE4 攜帶者的腦脊液中周皮細胞損傷的生物標志物: 一種可溶性的蛋白質稱為血小板源生長因子受體-β (sPDGFRβ) 也會升高。
AD 進程中，APOE 如何發力？
■ APOE 同種型的不同效力
ApoE2, ApoE3, and ApoE4 Differentially Stimulate APP Transcription and Aβ Secretion 一文表明人類神經膠質細胞 ApoE 的三種遺傳同種型 (ApoE2、ApoE3 和 ApoE4) 激活 APP 基因轉錄和 Aβ 合成方面的表現出不同的效力。
ApoE 以 ApoE4 > ApoE3 > ApoE2 效力等級順序激活非經典 MAP 激酶信號通路: DLK → MKK7 → ERK1/2 MAP 激酶途徑，并且增強了 APP 轉錄和淀粉樣蛋白-β 合成。
a：ApoE2、ApoE3 和 ApoE4 刺激在 MEF 上培養的人類神經元分泌 Aβ40 和 Aβ42 b：添加 ApoE2、ApoE3 或 ApoE4 刺激人類神經元中 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，給大家介紹了目前關于 AD 的主流觀點：腦內細胞外 β-淀粉樣蛋白 (Aβ) 逐漸沉積和細胞內 Tau 蛋白聚集導致的神經元死亡和認知障礙 (見：阿爾茲海默癥——消逝的世界)。
當 Aβ 產生過多和/或清除效率不高時，就會發生 Aβ 聚集。淀粉樣斑塊的主要成分 Aβ 纖維的形成經歷三個動力學階段: 滯后期、生長期和平臺期。APOE 對 Aβ 纖維形成的影響不一致，研究表明，APOE 在 Aβ 沉積的初始播種階段起著至關重要的作用，在這個時期星形膠質細胞 APOE4 過表達會加劇淀粉樣病變。
圖 4. APOE 的異構體和 Aβ 的聚集和清除[9]
a. Aβ 從大腦中被移除的主要途徑包括血腦屏障的清除、細胞攝取和隨后的降解、酶降解、ISF體流的清除以及腦脊液吸收進入循環和淋巴系統。b. 大腦 Aβ 清除不足導致Aβ 積累。
■ APOE4 如何損傷大腦？
除了上述與“主流”觀點相關的 APOE4 影響 AD 進程論。Thomas E. Willnow 等人在 Alzheimers Dement 雜志上發表了一項新研究，探索了AD 進程中，ApoE4 基因損傷大腦的新機制。
APOE 作為一種脂質轉運蛋白，可以為神經元提供重要營養物質，包括不飽和脂肪酸 (神經元周圍細胞膜的組成部分，PUFA)。APOE 的結合受體 sortilin，該受體介導將結合 apoE 的貨物 (apoE-bound cargo；也就是營養成分) 攝取到神經元中。
作者團隊將 Sort1 defect (KO) 引入到帶有編碼人類 APOE3 或 APOE4 基因座，靶向替換小鼠 Apoe 位點 (E3; KO 或者 E4; KO)。與野生型鼠 (WT) 相比，sortilin 的丟失會導致 KO 小鼠的皮質和海馬中人 APOE3 和 4 (圖 5a)。在 sortilin 缺陷小鼠中， Aβ40 水平增加了兩倍 (圖 5b)。
APOE4 破壞了 Sortilin 的營養物質攝取作用[12]
a. APOE3/4 的腦積聚。b. 可溶性 Aβ40 沉積。c.多不飽和脂肪酸 (PUFA) 的水平變化。d-e, APOE4 破壞了 sortilin 的細胞表面再循環
作者團隊還使用基于 LC-MS 的脂質組學來確定 (E3;KO) 和 (E4;KO) 小鼠腦皮質中各種不飽和脂肪酸 (PUFA) 的水平。APOE3 小鼠中，sortilin 的缺失會損害神經保護性 PUFA 攝取途徑，增加淀粉樣蛋白形成。APOE4 的野生型小鼠中有類似的現象。APOE4 會損害 sortilin 介導的神經元對脂質的攝取途徑（圖 5d-e)。這種損害使得神經細胞吸收的脂肪酸越來越少，神經細胞無法保護自己，導致發炎。
靶向 APOE 的治療
在 AD 領域，靶向 APOE 的治療主要集中在以下幾個方面。
■ 增加 APOE 水平及其脂質化
大腦中的 APOE4 比 APOE2 和 APOE3 的脂化水平低且穩定，因此，增加大腦中的 APOE4 與脂質的結合，可能加速 Aβ 的清除。Bexarotene 通過誘導 ABCA1 和 ABCG1 基因表達，增強 APOE 的脂質化，并增加 APOE 的表達水平，可快速降低 AD 小鼠腦內的 Aβ 斑塊負荷，改善認知能力。目前 Bexarotene 正在進行針對于 AD 治療的臨床試驗 (NCT01782742)。
■ 阻斷 APOE 與 Aβ 的相互作用
抗 APOE 單克隆抗體 (HJ6.3) 可顯著降低 APP/PS1 轉基因記憶缺陷小鼠腦內不溶性 Aβ 水平、Aβ 斑塊負荷和 APOE 水平。利用一種與 APOE 結合的合成多肽 Aβ12-28P 干擾 APOE 和 Aβ 的結合，可降低記憶缺陷小鼠的可溶性和不溶性 Aβ 水平和 Aβ 斑塊負荷，并減少了 APOE 在 Aβ 斑塊中的沉積。
■ APOE 類似物
APOE 類似物 (APOE 的 N 端片段，包括其受體結合基序) 已被證明可改善各種阿爾茨海默病小鼠模型中的 Aβ 水平和 Aβ 斑塊負荷、tau 過度磷酸化和神經炎癥，但尚未進入人類臨床試驗。
■ 基因治療
CRISPR-Cas9 編輯技術用于編輯轉換 APOE 等位基因的應用已在細胞培養層面獲得成功，但仍有待在小鼠敲除實驗中驗證。然而，應用基因治療來表達 APOE ε2 并提高 APOE ε4 攜帶者 (甚至是 APOE ε3 純合子) 中的 APOE ε2 表達水平已成為可能，該方法正在進行臨床試驗 (NCT0363407)。
不難看出，科學家們對于 APOE 在 AD 方面的研究目前主要還停留在動物甚至是細胞或分子層面，真正進入臨床試驗的鳳毛麟角，但是該靶點仍然被寄予厚望，希望在不久的將來能看到新的突破。
|
相關產品 |
|
高親和力的選擇性維甲酸 X 受體 (RXR) 激動劑，對 RAR 受體的親和力低。通過誘導 ABCA1 和 ABCG1 基因表達，增強 APOE 的脂質化。 |
|
Fluvastatin 競爭性 HMG-CoA 還原酶抑制劑，可通過 Nrf2 依賴的抗氧化途徑保護血管平滑肌細胞免受氧化應激。 |
|
EZ-482 是一種新型的載脂蛋白 E (ApoE) 小分子配體，與 ApoE3 和 ApoE4 的 C 端結構域上的位點結合，還可通過獨特的 N 端變構效應與 ApoE4 結合。 |
|
Apolipoprotein E/ApoE Protein, Human (HEK293, His) 在 HEK293 中表達的重組人載脂蛋白 E，N 端帶有 His 標簽。 |
|
Apolipoprotein E Protein, Mouse (HEK293, His) 在 HEK293 中表達的重組小鼠載脂蛋白 E，N 端帶有 His 標簽。 |
|
Anti-Alzheimer's Disease Compound Library 該化合物庫提供具有抗阿爾茲海默病活性或者針對阿爾茲海默病獨特靶點的共 645 種化合物。 |
MCE 的所有產品僅用作科學研究或藥證申報，我們不為任何個人用途提供產品和服務。
參考文獻
下滑查看更多 ↓
1. Strittmatter WJ, Roses AD. Apolipoprotein E and Alzheimer's disease. Annu Rev Neurosci. 1996;19:53-77.
2. Genome-wide association study identifies variants at CLU and PICALM associated with Alzheimer's disease. Nat Genet. 2009 Oct;41(10):1088-93..
3. Liu CC, Liu CC, Kanekiyo T, Xu H, Bu G. Apolipoprotein E and Alzheimer disease;risk,mechanisms and therapy. Nat Rev Neurol.2013 Feb;9(2):106-18.
4. Mahley RW. Apolipoprotein E: cholesterol transport protein with expanding role in cell biology. Science. 1988 Apr 29;240(4852):622-30.
5. Axel Montagne, Daniel A Nation, et al. APOE4 leads to blood-brain barrier dysfunction predicting cognitive decline. Nature. 2020 May;581(7806):71-76.
6. Wahrle SE, Jiang H, Parsadanian M, Legleiter J, Han X, Fryer JD, Kowalewski T, Holtzman DM. ABCA1 is required for normal central nervous system ApoE levels and for lipidation of astrocyte-secreted apoE. J Biol Chem.2004 Sep 24;279(39):40987-93.
7. Karten B, Campenot RB, Vance DE, Vance JE. Expression of ABCG1, but not ABCA1, correlates with cholesterol release by cerebellar astroglia. J Biol Chem. 2006 Feb 17;281(7):4049-57.
8. Yu-Wen Alvin Huang, Bo Zhou, Marius Wernig, Thomas C Südhof, et al. ApoE2, ApoE3, and ApoE4 Differentially Stimulate APP Transcription and Aβ Secretion. Cell. 2017 Jan 26;168(3):427-441.e21.
9. Rebeck GW, Reiter JS, Strickland DK, Hyman BT. Apolipoprotein E in sporadic Alzheimer's disease: allelic variation and receptor interactions. Neuron. 1993 Oct;11(4):575-80.
10. Huang YA, Zhou B, Wernig M, Südhof TC. ApoE2, ApoE3, and ApoE4 Differentially Stimulate APP Transcription and Aβ Secretion. Cell. 2017 Jan 26;168(3):427-441.e21.
11. Deane R, Sagare A, Hamm K, Parisi M, Lane S, Finn MB, Holtzman DM, Zlokovic BV. apoE isoform-specific disruption of amyloid beta peptide clearance from mouse brain. J Clin Invest. 2008 Dec;118(12):4002-13.
12. Antonino Asaro, Anne-Sophie Carlo-Spiewok, Anna R Malik, et al. Apolipoprotein E4 disrupts the neuroprotective action of sortilin in neuronal lipid metabolism and endocannabinoid signaling. Alzheimers Dement. 2020 Sep;16(9):1248-1258.
13. Ma Q, Zhao Z, Sagare AP, Wu Y, Wang M, Owens NC, Verghese PB, Herz J, Holtzman DM, Zlokovic BV. Blood-brain barrier-associated pericytes internalize and clear aggregated amyloid-β42 by LRP1-dependent apolipoprotein E isoform-specific mechanism. Mol Neurodegener. 2018 Oct 19;13(1):57.
14. Hawkes CA, Sullivan PM, Hands S, Weller RO, Nicoll JA, Carare RO. Disruption of arterial perivascular drainage of amyloid-β from the brains of mice expressing the human APOE ε4 allele. PLoS One. 2012;7(7):e41636.
15. Shi Y, Yamada K, et al. ApoE4 markedly exacerbates tau-mediated neurodegeneration in a mouse model of tauopathy. 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, and therapeutic approaches. Lancet Neurol. 2021 Jan;20(1):68-80.Erratum in: Lancet Neurol. 2021 Feb;20(2):e2.
