载脂蛋白E通过与Aβ相互作用参与阿尔茨海默病的病理过程研究进展

杨博文，毛兴佳，马 腾，宋濬哲，李 凡，张 策

阿尔茨海默病(AD)是一种起病隐匿的神经系统退行性疾病，以进行性认知功能障碍和行为损害为特征，它是老年期痴呆最常见的形式。老年斑和神经纤维缠结是AD标志性的病理改变。Aβ肽是老年斑与神经纤维缠结的主要成分，包含40个或42个氨基酸，由淀粉样前体蛋白(APP)经酶切形成。Aβ积累、聚集、沉积在脑实质内形成老年斑，同时在脑血管周边区造成淀粉样血管病(CAA)，这可能是AD发病机制的中心环节[1]。除了Aβ的沉积，可溶性Aβ寡聚物通过破坏突触功能和激活下游毒性通路而损伤突触，最终导致神经退行性病变和认知障碍[2]。

无论早发型家族性阿尔茨海默病(FAD)，还是迟发型阿尔茨海默病(LOAD)，均与遗传因素有关。根据双生子研究的结果，预测得出LOAD的遗传可能性高达80%[3]。人类ApoE具有三种主要的亚型：ApoE2、ApoE3、ApoE4，不同的亚型具有不同的生物学作用，在编码ApoE的基因中，ApoE4是LOAD最重要的易感基因[4]，而ApoE2等位基因则对AD发病具有保护作用[5]。虽然利用全基因组相关研究(GWAS)明确了其他的LOAD遗传基因位点，但它们增加AD患病风险的作用比ApoE弱很多[6]。虽然大量研究包括体内和体外实验已经证实了ApoE4增加AD患病风险的途径，但仍无法理解其确切的机制，且现有的解释还存在争议。

本研究着重讨论ApoE亚型如何以不同的方式调节AD的发病过程，特别是由Aβ介导的途径，阐述ApoE的结构及其生物化学的特点，ApoE对脑内细胞摄取Aβ的作用，ApoE在Aβ聚集和清除过程中发挥的作用。Aβ也会对ApoE产生作用，即Aβ与ApoE之间可能存在相互作用。

1 ApoE的结构和生物化学特点

1.1 ApoE的结构特点 人类ApoE蛋白是由299个氨基酸组成的载脂蛋白，它具有两个结构域即N-末端结构域和C-末端结构域，分别包含受体结合区和脂质结合区[7]。人类ApoE基因位于19q13，编码着三种主要的ApoE亚型：ApoE2，ApoE3，ApoE4。三种ApoE亚型的区别仅在于112位和158位上的氨基酸残基不同：ApoE2(Cys112，Cys158)、ApoE3(Cys112，Arg158)、ApoE4(Arg112，Arg158)[8]，这种区别在分子和细胞水平决定了ApoE的结构和功能，同时也改变了与AD相关的病理作用。ApoE2与ApoE3倾向于和高密度脂蛋白(HDL)结合，而ApoE4与低密度脂蛋白(LDL)和极低密度脂蛋白(VLDL)的亲和力更高[9-10]。

1.2 ApoE的生物化学来源 ApoE表达于多种组织，表达量最高的是肝脏，其次为脑。在脑组织中，主要由星形胶质细胞、小胶质细胞、血管平滑肌细胞和脉络丛表达ApoE，而应激状态下神经元则构成ApoE的主要来源[11]。

2 ApoE对Aβ脑内细胞摄取的作用

2.1 ApoE和Aβ的三种共同受体 在脑中有大量的LDLR，LRP1和HSPG，他们是主要的ApoE受体，调控着细胞对ApoE和Aβ的摄取。缺乏LDLR会导致ApoE在小鼠脑中聚积，而LDLR过量表达会使ApoE的水平降低50%～90%[12]，这表明LDLR在脑内的ApoE代谢中扮演着重要的角色。离体实验显示Aβ可以直接与LDLR结合，LDLR的过度表达可以显著增加星形胶质细胞对Aβ的摄取，而LDLR的减少具有相反的效应[13]。

LR11/SorLA属于LDLR家族，它在Aβ的细胞摄取中发挥的作用与ApoE亚型有关，具体表现为ApoE4>ApoE3>ApoE2。Yajima等[14]的研究显示，相比于ApoE2和ApoE3，ApoE4的存在能加速细胞对Aβ的摄取，因为ApoE4与神经元表面的LR11/SorLA形成复合物(ApoE-L11 Complex)的效率更高，然而这一发现与AD发病过程之间的关系尚不明确。细胞对于Aβ摄取的加强可能会产生两种后果，负面的效果是这将增加细胞内Aβ的浓度，播下Aβ寡聚物的种子，这是Aβ的一种毒性形式；而积极意义在于细胞摄取Aβ的水平升高也会促进脑内Aβ的清除[15]。而上述的负面效应更具有生理学意义，因为它与ApoE4在AD病人中的广泛表达相吻合。

LRP1是对脑中ApoE的代谢具有重要作用的一种受体，同时也是被研究最多的Aβ受体之一。Kanekiyo等[16]的研究显示，Aβ首先与细胞表面的HSPG受体结合，随后通过非LRP1依赖性或LRP1依赖性的途径被细胞内吞。因此，HSPG缺乏会显著降低细胞对Aβ的结合与摄取。首先，HSPG是一个同时针对ApoE和Aβ的细胞表面受体，二者竞争细胞的内化，ApoE结合于细胞表面的HSPG而抑制Aβ的胞内摄取。其次，潴留在胞外的Aβ通过蛋白酶水解的途径被清除，而ApoE的不同亚型可能会改变Aβ的聚集形式，从而影响蛋白酶对Aβ的水解作用。尽管Aβ与HSPG结合后能被转运到溶酶体降解，但此过程因Aβ聚集和寡聚体形成而显现出毒性作用。仅有小于总数5%的Aβ与ApoE发生相互作用[17-18]，但该反应对于Aβ清除有重要意义。

2.2 ApoE对Aβ细胞摄取的双重作用 一些研究证明，ApoE通过与Aβ形成复合物加强细胞对Aβ的摄取，且ApoE3能比ApoE4更有效地易化Aβ结合于细胞表面的过程[19]，从而加强神经元对Aβ的摄取。然而，其他的一些研究显示，ApoE可能会同Aβ竞争与受体的结合，从而干扰细胞对Aβ摄取。ApoE通过LRP1依赖性的途径干扰了星形胶质细胞对可溶性Aβ的摄取[20]。这些矛盾的结果也可能是由不同的实验条件造成。由于Aβ和肝素可以与ApoE的脂质结合区、ApoE的受体结合区以及复杂的ApoE受体网络结合，故ApoE对于Aβ的细胞结合及摄取的作用很可能取决于二者浓度的相对大小、Aβ的聚集状态、ApoE的亚型、ApoE的脂化状态、受体在细胞表面表达的形式等因素，这需要由更多的研究来阐明，特别是活体内的研究。

2.3 溶酶体对Aβ的处理有利有害 细胞摄取的Aβ主要通过早期和晚期的核内体向溶酶体转运，最终在溶酶体降解。一般来说细胞摄取ApoE对Aβ的清除是有益的[19-21]。然而，当溶酶体的降解功能受损[19]或大量Aβ存在于AD病人脑中时[21-22]，Aβ向溶酶体的转运会导致Aβ聚积，产生毒性效应。同时，Aβ的聚积又会诱导溶酶体功能障碍和细胞毒性[21]，形成恶性循环。更重要的是，这些从溶酶体开始的Aβ聚积可以明显加剧Aβ的聚积，形成放大效应，最终加快了细胞外Aβ寡聚体的产生和淀粉样斑块的沉积。

3 ApoE对Aβ聚集的作用

3.1 ApoE对Aβ聚集的双重作用 ApoE对Aβ的聚集具有促进作用。将敲除ApoE基因的小鼠与作为淀粉样病变模型的PDAPP或Tg2576鼠进行杂交，观察到淀粉样斑块和CAA中的Aβ沉积均显著减少，可见，鼠类ApoE在Aβ的聚积过程中发挥了重要的作用[23-24]。同样，人类ApoE 4等位基因携带者体内淀粉样斑块和CAA的含量更高[25]。高浓度的ApoE会和Aβ形成高分子量的共聚集体[26]，并以这种形式促进Aβ的聚集。然而，另一些研究则显示ApoE能减少Aβ纤维的生成，因为ApoE对Aβ纤维形成的启动环节具有显著的抑制作用[27]。

3.2 不同来源的ApoE对Aβ聚集的作用 不同来源的ApoE对Aβ聚集的促进作用有所不同。Fan等[28]实验说明，鼠类 ApoE能促进老年斑形成，而人类ApoE4更倾向于促进脑实质中CAA的发生，这是鼠类ApoE、人类ApoE4与Aβ产生的效应有差异而引起的。具体原因可能是两种ApoE生化特性受遗传影响使他们处在脑中不同的位置，鼠类ApoE位于脑实质而人类ApoE4位于脉管系统，导致两种ApoE与Aβ以不同的方式发生反应。用表达突变型人类AβDutch/Iowa(E22Q/D23N)的转基因鼠同样证明：ApoE通过和Aβ反应作用于Aβ的聚集过程，进而调节Aβ的病理过程[28-30]。ApoE的物种来源、亚型、位置都会影响Aβ的聚集。未来的研究需要对这几种因素的作用分别进行评估，这将为理解ApoE在Aβ聚集过程中如何发挥作用指引方向。

4 ApoE对Aβ清除的作用

ApoE以亚型依赖性的方式增强了小胶质细胞内脑啡肽酶(NEP)介导的Aβ清除：ApoE2>ApoE3>ApoE4[31]。ApoE还能促进胞外NEP和胰岛素降解酶(IDE)介导的 Aβ的清除[31]。而且脂化后的ApoE比未脂化的表现出更强的促进作用[32]。据推测，ApoE可能通过转换Aβ的结构，使其更容易被NEP和IDE识别，从而促进了Aβ的清除。与ApoE4/Aβ复合物相比，ApoE2/Aβ和ApoE3/Aβ复合物在血脑屏障上以更快的速率被清除，这是因为ApoE4破坏了血脑屏障，造成了脑血流的减少，从而抑制Aβ的清除[33-34]。

ApoE还通过调节小胶质细胞吞噬作用的激活和控制小胶质细胞的迁移来促进Aβ的清除。小胶质细胞在中枢神经系统中发挥着巨噬细胞的作用，ApoE能使巨噬细胞的功能活动由促炎的M1机制转变为抗炎的M2机制[35]，ApoE以此方式调控着小胶质细胞的激活过程。同时，ApoE的各种亚型差异性地调控着小胶质细胞的迁移，和ApoE3-TR鼠相比，ApoE4-TR鼠体内的小胶质细胞迁移的更慢[36]。

5 Aβ对ApoE的影响

除了上述ApoE可以通过不同方式对Aβ产生广泛作用，有报道显示Aβ也可对ApoE发挥多种影响。Anika等[37]的研究显示，随着Aβ含量的增加，人SY5Y细胞会产生更多的内源性ApoE3碎片。在此过程中，Aβ的位置很重要，细胞外的Aβ能增加完整长度的ApoE的含量，胞内Aβ则使ApoE发生破碎。ApoE碎片在突触体富集区堆积，与突触体内COX Ⅳ等线粒体蛋白连接，并发挥线粒体毒性作用[38]。在脑中，星形胶质细胞的质膜上有ATP结合盒转运子(ABCA1)，其功能是将胆固醇和其他脂类装载到载脂蛋白颗粒上[39]。Aβ可诱导星形胶质细胞的ABCA1和ABCG1表达增加[40]，由此增加ApoE颗粒的脂质含量，而ApoE的脂化状态发生改变将进一步影响Aβ的生物学效应。

6 总结与展望

ApoE 4等位基因是LOAD最重要的遗传风险因素，对人和动物模型中的淀粉样病理过程有促进作用。ApoE与Aβ可以发生反应，二者共有相同的受体，因此具有竞争性结合的特征，更重要的是，ApoE、Aβ和它们的受体之间反应受多种因素影响：ApoE的亚型、ApoE的脂化状态，Aβ的聚集状态和受体的分布。不同ApoE亚型对Aβ清除的作用有所差异：①ApoE和Aβ与受体的竞争性结合抑制了细胞对Aβ的摄取，另一方面，ApoE又通过形成ApoE/Aβ复合体而促进细胞对Aβ的摄取和清除；②ApoE减少了Aβ寡聚物和纤维的形成，但同时又促进了Aβ的聚集；③ApoE促进胶质细胞对Aβ的吞噬和降解，却也损害了血脑屏障清除Aβ的功能。现在并不明确通过与Aβ相互作用ApoE加强了还是抑制了Aβ的毒性效应。而揭示二者的相互作用等关联对阐明AD的发病机制具有重大意义。

总体来看，ApoE对Aβ的细胞摄取、聚集和清除均有多种调节效应。现阶段存在的疑惑包括：若要延缓AD的病理进程，应该增加还是减少ApoE含量，抑或是仅仅改变其脂化状态；ApoE4改变AD病理变化的确切途径。未来的研究应该关注的重点在于：为何仅ApoE3和ApoE4之间一个氨基酸序列的改变即可造成它们性质和功能的巨大差异，该如何利用现有理论，针对ApoE和Aβ的相互作用在AD发病中发挥的功能，设计出靶向性的治疗方法。

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