阿爾茨海默病與載脂蛋白E的聯系研究

付 莎 綜述，袁忠明 審校

(重慶醫科大學附屬第二醫院老年病科，重慶400010)

阿爾茨海默病(AD)是發生于老年和老年前期，以進行性認知功能障礙和行為損害為特征的中樞神經系統退行性病變。AD的病理特征包括細胞外β淀粉樣蛋白(Aβ)異常聚集沉積為淀粉樣斑塊、過度磷酸化的微管相關蛋白tau在神經元內聚集為神經原纖維纏結(NFT)、腦淀粉樣血管病、神經膠質反應、神經元丟失、突觸丟失等[1]。近年來，有研究發現，載脂蛋白E(ApoE)與AD的發生、發展密切相關。因此，本文對ApoE的生物學屬性及其與AD相關的Aβ沉積、tau蛋白磷酸化、神經炎性反應、突觸功能、脂質轉運、葡萄糖代謝及胰島素信號傳導相關性研究進展進行綜述。

1 ApoE的生物學

ApoE最初在1973年被鑒定為富含三酰甘油的極低密度脂蛋白的一種成分，并被稱為“富含精氨酸的”蛋白，直到1982年才將這種蛋白質正式命名為“ApoE”，并被廣泛采用。人類ApoE基因位于第19號染色體，全長有3 597個核苷酸，包含4個外顯子和3個內含子，是由299個氨基酸組成的相對分子質量約為34 200的糖蛋白，包含與受體結合的穩定的球形氨基末端結構域及與脂質結合的細長的羧基末端結構域[2]。ApoE基因第158、112取代位點上半胱氨酸-精氨酸交換定義了3種不同的異構體，分別為ApoE2(半胱氨酸112，半胱氨酸158)、 ApoE3 (半胱氨酸112,精氨酸158)、ApoE4(精氨酸112,精氨酸158)[3]。血漿中的ApoE大多數來源于肝細胞，但還有其他一些來源，其中最重要的是巨噬細胞、星形膠質細胞和脂肪細胞。ApoE主要參與脂質代謝，但在神經保護、抗微生物防御、氧化應激和炎癥等方面也起著一定作用[4]。在中樞神經系統中，ApoE主要由星形膠質細胞分泌，在應激生理條件下由周細胞、少突膠質細胞、脈絡叢和神經元表達[5]，且對腦內多條途徑進行差異性調節，包括脂質轉運、突觸完整性和可塑性、葡糖糖代謝和腦血管功能[6]。

2 ApoE與AD的相關性

ApoE基因多態性最早是在1975年由UTERMANN等通過等電聚焦模式所揭示，并在1981年由ZANNIS和BRESLOW等進一步完善。人類ApoE的3種主要等位基因分別為E2、E3和E4，其中E3是人群中最常見的參考等位基因，有3種純合子表型(E4/4、E3/3和E2/2)和3種雜合子表型(E4/3、E3/2和E4/2)，3個等位基因產物分別命名為ApoE2、ApoE3、ApoE4[2]。ApoE4是晚發性、散發性AD的主要遺傳危險因素，CORDER等[7]在研究42個晚發性AD家庭中所有60歲及以上成員后，發現ApoE4等位基因以劑量依賴的方式增加AD的風險，發病年齡隨ApoE4等位基因數目的減少而降低。攜帶1個ApoE4等位基因使風險增加2～4倍，而擁有2個ApoE4等位基因的人的風險提高8～12倍。與非ApoE4攜帶者相比，ApoE4攜帶者發病年齡平均降低約12歲。ApoE2等位基因是晚發性AD的保護因素，隨著ApoE2等位基因數目的增加，AD的發病風險降低，發病年齡增加[7-8]。近年來，有研究發現，ApoE與Aβ的代謝、微管相關蛋白tau介導的神經變性、神經炎性反應、突觸完整性、脂質運輸、葡萄糖代謝等AD的過程密切相關[6]。

2.1ApoE與Aβ病理機制 淀粉樣斑塊在形態學上分為彌漫性斑塊和致密核斑塊，是淀粉樣前體蛋白(APP)在神經元中被β、γ分泌酶順序裂解后，由40(Aβ40)或42(Aβ42)個氨基酸組成的Aβ在細胞外的異常堆積和沉積，在斑塊內Aβ42比Aβ40豐富。在AD中，Aβ積累形成具有突觸毒性的中間可溶性寡聚物，以及不溶性的β淀粉樣纖維，它們是致密核斑塊(主要是Aβ42)和腦淀粉樣血管病(主要是Aβ40)的主要成分[1]。CHRISTENSEN等[9]通過對10例對照和20例散發性AD患者的海馬和其他一系列大腦區域(包括額葉、顳葉皮質及小腦)的神經內Aβ染色發現，1個或2個ApoE4等位基因的存在與神經細胞內Aβ的積累增加密切相關。MISHRA等[10]利用全腦區域方法來評估ApoE基因型對β淀粉樣蛋白和皮質萎縮的縱向變化的空間影響的研究中發現，與非ApoE4等位基因攜帶者相比，ApoE4等位基因的攜帶者通過皮層彌散性增加了Aβ的縱向積累。因此，了解ApoE4在Aβ的產生、清除、代謝等過程中的作用對AD的研究有著重要意義。

近年來，有研究發現，ApoE可以影響Aβ和Aβ寡聚體的水平，HUANG等[11]使用人胚胎干細胞和誘導多能干細胞的神經元，研究發現人胚胎腎細胞293衍生的ApoE通過與細胞表面ApoE受體結合激活非經典絲裂原活化蛋白激酶信號傳導途徑，以ApoE4>ApoE3>ApoE2效力等級刺激淀粉樣前體蛋白的轉錄和Aβ的產生。ApoE通過其與脂質結合的羧基末端結構域以同工型依賴方式(ApoE4>ApoE3>ApoE2)提高Aβ寡聚體的水平。ApoE4促進并穩定了Aβ寡聚，研究發現E4/4純合子表型的AD患者比E3/3純合子表型的AD患者的Aβ寡聚體水平高2.7倍，與ApoE3/3攜帶者相比，在大腦Aβ寡聚體更高水平的ApoE4/4攜帶者可能會增加樹突棘的丟失并加速記憶障礙，從而導致AD較早的認知功能下降[12]。由此可見，ApoE4可能通過增加Aβ及Aβ寡聚體的產生而增加患AD的風險。

在大腦中由于淀粉樣前體蛋白裂解而不斷產生Aβ，因此有效清除Aβ對防止Aβ積累和隨后的聚集至關重要。Aβ從大腦清除的主要途徑有2種：(1)腦實質中的細胞(小膠質細胞、星形膠質細胞、神經元)、間質液(ISF)排放途徑或通過血腦屏障的受體介導的清除；(2)通過內肽酶介導的蛋白水解降解[13]。首先，受體介導的膠質細胞攝取和隨后降解Aβ是腦內重要的Aβ清除途徑。在利用人誘導多能干細胞衍生的星形膠質細胞和小膠質細胞的研究中發現，與攜帶ApoE3等位基因相比，攜帶ApoE4等位基因會對ApoE的表達產生負面影響，改變膽固醇代謝，削弱星形膠質細胞攝取Aβ42的能力，并對小膠質細胞功能的多個方面產生負面影響，可能阻礙小膠質細胞清除AD腦中細胞外Aβ[14]。ApoE是低密度脂蛋白受體相關蛋白1(LRP1)的關鍵配體，ApoE與可溶性Aβ競爭星形膠質細胞中LRP1依賴性細胞的攝取，在使用細胞和條件基因敲除小鼠模型研究中發現，星形膠質細胞中LRP1的缺乏降低了大腦Aβ清除，加劇Aβ積累并加速淀粉樣斑塊沉積[15]。其次，通過血腦屏障轉運的Aβ是由ApoE以異構體依賴的方式介導的。研究表明，Aβ-ApoE2和Aβ-ApoE3復合物均可被血腦屏障的極低密度脂蛋白受體(VLDLR)和LRP1清除，而Aβ與ApoE4的結合將其清除作用從LRP1重定向至VLDLR，由于VLDLR介導的Aβ-ApoE復合物在血腦屏障的內化速度比LRP1慢，因此，通過VLDLR和LRP1在血腦屏障清除Aβ-ApoE2和Aβ-ApoE3復合物的速度明顯快于Aβ-ApoE4復合物[16]。然后，由于Aβ沉積在腦毛細血管和動脈基底膜的分布對應于血管周圍的引流途徑，腦間質液中的Aβ可以沿著毛細血管壁和動脈壁的基底膜的大量流動從大腦中清除。向表達人ApoE3或ApoE4基因的靶向替代小鼠和野生型小鼠腦內注射Aβ40的研究結果表明，ApoE4等位基因可能通過修飾腦血管基底膜蛋白的表達，并破壞腦內Aβ的血管周圍引流效率而促進了Aβ在AD中的蓄積[17]。另外，Aβ還可以通過小膠質細胞和星形膠質細胞分泌的蛋白水解酶如腦啡肽酶和胰島素降解酶經歷蛋白水解降解的途徑來清除，腦啡肽酶和胰島素降解酶缺乏會導致體內Aβ水平增加和淀粉樣蛋白沉積。脂化的ApoE通過增強腦啡肽酶和胰島素降解酶的活性，以E2>E3>E4的順序增加了ApoE缺陷小膠質細胞的Aβ降解[18]。因此，受體介導的膠質細胞攝取、血腦屏障轉運、血管周圍引流及蛋白水解降解途徑介導的Aβ清除可能受ApoE4等位基因的影響。

總之，當Aβ產生過多或清除效率低時，就會造成Aβ在腦中積聚，從而引起一系列的病理生理表現。雖然目前關于ApoE4影響Aβ的產生、清除的機制還有待更深入的研究，但可以明確的是，ApoE4可以通過增加Aβ的沉積引起AD的發生和發展。

2.2ApoE影響tau蛋白水平 神經元纖維纏結(NFT)主要成分是tau蛋白，tau蛋白是一種主要在神經元中表達的微管相關蛋白，在生理條件下參與微管的聚合和維持微管的穩定性。tau蛋白的生理功能受到多種翻譯后修飾的高度調節，包括磷酸化、乙酰化、糖基化及泛素化等。這些修飾的改變會影響tau蛋白功能，并可能導致病理狀況，其中tau蛋白的過度磷酸化導致其與微管分離，從而損害了正常神經元活動所需的軸突穩定性和運輸。AD中過度磷酸化的tau蛋白通常沿神經網絡以定型模式從一個區域傳播到另一個區域，NFT首先出現在內側顳葉，隨后通過海馬區擴散到整個大腦皮層，這表明過度磷酸化的tau蛋白的擴散與神經功能障礙密切相關[19]。近年來，研究結果表明，ApoE對以過度磷酸化tau蛋白聚集為特征的AD起著一定作用。與ApoE3/3神經元相比,人誘導多能干細胞來源的ApoE4/4神經元產生更多的ApoE片段，具有更高的磷酸化tau蛋白水平[20]。ApoE在調節tau蛋白介導的神經變性中起著重要作用，其中ApoE4引起更嚴重的損害，而ApoE的缺乏則具有保護作用。在利用人類ApoE基因敲入或敲除轉基因小鼠模型的研究中發現，與攜帶ApoE2和ApoE3等位基因的小鼠相比，攜帶ApoE4等位基因的小鼠腦萎縮明顯更多，而ApoE的缺乏極大程度地減弱了小鼠的神經元丟失及腦萎縮[21]。綜上所述，ApoE等位基因可能以一種異構體依賴的方式影響tau蛋白病理和tau蛋白介導的神經變性。雖然ApoE等位基因對tau蛋白磷酸化特異性影響已經得到了一定程度的證明，但是ApoE亞型和這些致病蛋白之間的聯系仍需要我們進一步研究。

2.3ApoE影響AD的其他途徑 ApoE在調節對Aβ病理和神經變性的先天免疫反應中具有重要作用，小膠質細胞在腦內的免疫反應中起著中心作用，表現為AD患者死后腦組織圍繞Aβ的大量反應性小膠質增生[6]。在一項對人額葉皮質活檢的社區老年隊列的研究中發現，小膠質細胞和相關炎性細胞因子與AD病理之間的關系與是否攜帶ApoE4等位基因有關。即在不攜帶ApoE4等位基因的AD個體中，白細胞介素10(IL-10)、IL-13、IL-4、IL-1α水平的升高與tau蛋白病理水平降低相關，而攜帶ApoE4等位基因的AD個體的小膠質細胞和tau蛋白病理水平更高，這表明在缺乏ApoE4情況下的免疫系統可能具有潛在的保護作用。這種免疫反應的改變可能部分解釋了攜帶ApoE4等位基因的個體有更嚴重的Aβ和tau蛋白病理水平，支持了ApoE在人腦免疫和膠質細胞功能中的調節作用[22]。目前，雖然關于ApoE4參與炎性反應的具體機制尚未完全清楚，但是通過調節神經炎性反應可能會成為未來治療AD的一個方向。

突觸丟失是AD患者大腦皮質萎縮的原因之一[1]。越來越多的證據表明，在AD患者的大腦中，ApoE與神經元信號傳導及突觸的完整性有關。由ApoE介導的最具特征的神經元信號傳導途徑是Reelin途徑，其通過ApoE受體2(APOER2)發揮作用。Reelin信號級聯反應在神經元遷移、樹突棘重塑和突觸可塑性的過程中起重要作用。Reelin在突觸后與APOER2結合，導致N-甲基-D-天冬氨酸受體磷酸化、鈣離子內流和長時程增強。與ApoE2及ApoE3相比，ApoE4由于會促進APOER2的細胞攝取而不利于上述過程，這限制了Reelin的結合，從而導致了突觸可塑性的降低[23]。由于突觸丟失與AD患者認知功能下降密切相關，深入研究ApoE4對突觸功能的影響機制可以幫助我們進一步認識AD。

ApoE是大腦中關鍵的脂質轉運蛋白，在膽固醇的合成和輸送過程中起關鍵作用，ApoE可通過維持大腦神經元脂質穩態來維持機體的健康狀態。星形膠質細胞中ApoE的脂化作用主要是由三磷酸腺苷結合盒轉運蛋白a1負責的。一項大規模的人群研究發現，人群中三磷酸腺苷結合盒轉運蛋白a1功能的喪失可導致血漿ApoE降低，并增加了AD、腦血管疾病和出血性卒中的風險。而在小鼠模型中，三磷酸腺苷結合盒轉運蛋白a1的過表達會增加ApoE的脂化，并增強淀粉樣蛋白清除率，對軸突損傷具有有益的作用。研究發現，相對于ApoE2、ApoE3、ApoE4的脂化較差，攜帶ApoE4等位基因個體的腦脊髓液中的ApoE蛋白水平降低了約30%[24]。另外，最近的一項使用人誘導多能干細胞來源的星形膠質細胞的研究結果表明，與ApoE3/3相比，ApoE4/4的脂化程度較低，會進一步減弱ApoE的神經營養功能[25]。由此可見，ApoE與脂質相互作用對AD的影響可能與ApoE亞型的功能減弱有關。

ApoE介導的腦葡萄糖低代謝和胰島素信號傳導受損與AD的發病機制密切相關。大腦葡萄糖代謝紊亂被認為通過誘導氧化應激、炎癥、線粒體功能障礙、自噬損傷、興奮性毒性和凋亡來介導Aβ沉積和tau蛋白過度磷酸化。腦葡萄糖低代謝反映了突觸功能障礙和神經變性的程度[26]。在使用人ApoE基因靶向替代小鼠的研究中表明，人類ApoE亞型可差異性調節大腦葡萄糖代謝，而己糖激酶表達和活性的差異可能是3種ApoE亞型對大腦葡萄糖利用的獨特影響，己糖激酶活性在表達ApoE2細胞中最高，在表達ApoE4細胞中最低[27]。臨床試驗表明，鼻腔注射胰島素治療對AD患者的認知功能的改善受ApoE亞型的調節，ApoE亞型差異影響腦胰島素信號傳導的分子和細胞機制。與ApoE3相比，ApoE4通過將胰島素受體捕獲在內體中而損害其運輸，從而導致胰島素信號傳導受損及抑制胰島素誘導的線粒體呼吸和酵解[28]。因此，進一步研究腦內葡萄糖低代謝及胰島素信號傳導受損的機制，不僅有助于了解AD的發病機制，還可以為AD的診斷和治療尋找新的靶點。

3 小 結

AD作為一種常見的神經退行性疾病，患病率呈逐年增長趨勢，不僅給患者的身體及心理造成巨大傷害，也給國家和社會帶來了沉重的負擔。隨著我國老齡化人口的逐漸增加，如何預防和治療AD變得越來越重要。由于ApoE作為AD的主要遺傳危險因素，在疾病發展過程的早期ApoE可能通過改變Aβ在腦中的沉積、tau蛋白磷酸化等中樞神經系統病理改變AD的病理軌跡，因此ApoE可能成為AD治療的靶點。通過抗ApoE4免疫療法、反義寡核苷酸治療、抑制組蛋白去乙酰化酶等方式降低ApoE水平，增強三磷酸腺苷結合盒轉運蛋白a1介導的ApoE4脂化作用、利用基因編輯和基因治療、生活方式和飲食等方式調節ApoE的功能[29]，以此來促進AD不同治療策略的發展。因此，探究ApoE與AD的聯系及其調控AD發生、發展的分子機制可以為預防、診斷及治療AD提供新的方向，這對于精準醫學新興時代的靶向治療非常重要。