阿尔茨海默病与载脂蛋白E的联系研究

付 莎 综述，袁忠明 审校

(重庆医科大学附属第二医院老年病科，重庆400010)

阿尔茨海默病(AD)是发生于老年和老年前期，以进行性认知功能障碍和行为损害为特征的中枢神经系统退行性病变。AD的病理特征包括细胞外β淀粉样蛋白(Aβ)异常聚集沉积为淀粉样斑块、过度磷酸化的微管相关蛋白tau在神经元内聚集为神经原纤维缠结(NFT)、脑淀粉样血管病、神经胶质反应、神经元丢失、突触丢失等[1]。近年来，有研究发现，载脂蛋白E(ApoE)与AD的发生、发展密切相关。因此，本文对ApoE的生物学属性及其与AD相关的Aβ沉积、tau蛋白磷酸化、神经炎性反应、突触功能、脂质转运、葡萄糖代谢及胰岛素信号传导相关性研究进展进行综述。

1 ApoE的生物学

ApoE最初在1973年被鉴定为富含三酰甘油的极低密度脂蛋白的一种成分，并被称为“富含精氨酸的”蛋白，直到1982年才将这种蛋白质正式命名为“ApoE”，并被广泛采用。人类ApoE基因位于第19号染色体，全长有3 597个核苷酸，包含4个外显子和3个内含子，是由299个氨基酸组成的相对分子质量约为34 200的糖蛋白，包含与受体结合的稳定的球形氨基末端结构域及与脂质结合的细长的羧基末端结构域[2]。ApoE基因第158、112取代位点上半胱氨酸-精氨酸交换定义了3种不同的异构体，分别为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]。血浆中的ApoE大多数来源于肝细胞，但还有其他一些来源，其中最重要的是巨噬细胞、星形胶质细胞和脂肪细胞。ApoE主要参与脂质代谢，但在神经保护、抗微生物防御、氧化应激和炎症等方面也起着一定作用[4]。在中枢神经系统中，ApoE主要由星形胶质细胞分泌，在应激生理条件下由周细胞、少突胶质细胞、脉络丛和神经元表达[5]，且对脑内多条途径进行差异性调节，包括脂质转运、突触完整性和可塑性、葡糖糖代谢和脑血管功能[6]。

2 ApoE与AD的相关性

ApoE基因多态性最早是在1975年由UTERMANN等通过等电聚焦模式所揭示，并在1981年由ZANNIS和BRESLOW等进一步完善。人类ApoE的3种主要等位基因分别为E2、E3和E4，其中E3是人群中最常见的参考等位基因，有3种纯合子表型(E4/4、E3/3和E2/2)和3种杂合子表型(E4/3、E3/2和E4/2)，3个等位基因产物分别命名为ApoE2、ApoE3、ApoE4[2]。ApoE4是晚发性、散发性AD的主要遗传危险因素，CORDER等[7]在研究42个晚发性AD家庭中所有60岁及以上成员后，发现ApoE4等位基因以剂量依赖的方式增加AD的风险，发病年龄随ApoE4等位基因数目的减少而降低。携带1个ApoE4等位基因使风险增加2～4倍，而拥有2个ApoE4等位基因的人的风险提高8～12倍。与非ApoE4携带者相比，ApoE4携带者发病年龄平均降低约12岁。ApoE2等位基因是晚发性AD的保护因素，随着ApoE2等位基因数目的增加，AD的发病风险降低，发病年龄增加[7-8]。近年来，有研究发现，ApoE与Aβ的代谢、微管相关蛋白tau介导的神经变性、神经炎性反应、突触完整性、脂质运输、葡萄糖代谢等AD的过程密切相关[6]。

2.1ApoE与Aβ病理机制 淀粉样斑块在形态学上分为弥漫性斑块和致密核斑块，是淀粉样前体蛋白(APP)在神经元中被β、γ分泌酶顺序裂解后，由40(Aβ40)或42(Aβ42)个氨基酸组成的Aβ在细胞外的异常堆积和沉积，在斑块内Aβ42比Aβ40丰富。在AD中，Aβ积累形成具有突触毒性的中间可溶性寡聚物，以及不溶性的β淀粉样纤维，它们是致密核斑块(主要是Aβ42)和脑淀粉样血管病(主要是Aβ40)的主要成分[1]。CHRISTENSEN等[9]通过对10例对照和20例散发性AD患者的海马和其他一系列大脑区域(包括额叶、颞叶皮质及小脑)的神经内Aβ染色发现，1个或2个ApoE4等位基因的存在与神经细胞内Aβ的积累增加密切相关。MISHRA等[10]利用全脑区域方法来评估ApoE基因型对β淀粉样蛋白和皮质萎缩的纵向变化的空间影响的研究中发现，与非ApoE4等位基因携带者相比，ApoE4等位基因的携带者通过皮层弥散性增加了Aβ的纵向积累。因此，了解ApoE4在Aβ的产生、清除、代谢等过程中的作用对AD的研究有着重要意义。

近年来，有研究发现，ApoE可以影响Aβ和Aβ寡聚体的水平，HUANG等[11]使用人胚胎干细胞和诱导多能干细胞的神经元，研究发现人胚胎肾细胞293衍生的ApoE通过与细胞表面ApoE受体结合激活非经典丝裂原活化蛋白激酶信号传导途径，以ApoE4>ApoE3>ApoE2效力等级刺激淀粉样前体蛋白的转录和Aβ的产生。ApoE通过其与脂质结合的羧基末端结构域以同工型依赖方式(ApoE4>ApoE3>ApoE2)提高Aβ寡聚体的水平。ApoE4促进并稳定了Aβ寡聚，研究发现E4/4纯合子表型的AD患者比E3/3纯合子表型的AD患者的Aβ寡聚体水平高2.7倍，与ApoE3/3携带者相比，在大脑Aβ寡聚体更高水平的ApoE4/4携带者可能会增加树突棘的丢失并加速记忆障碍，从而导致AD较早的认知功能下降[12]。由此可见，ApoE4可能通过增加Aβ及Aβ寡聚体的产生而增加患AD的风险。

在大脑中由于淀粉样前体蛋白裂解而不断产生Aβ，因此有效清除Aβ对防止Aβ积累和随后的聚集至关重要。Aβ从大脑清除的主要途径有2种：(1)脑实质中的细胞(小胶质细胞、星形胶质细胞、神经元)、间质液(ISF)排放途径或通过血脑屏障的受体介导的清除；(2)通过内肽酶介导的蛋白水解降解[13]。首先，受体介导的胶质细胞摄取和随后降解Aβ是脑内重要的Aβ清除途径。在利用人诱导多能干细胞衍生的星形胶质细胞和小胶质细胞的研究中发现，与携带ApoE3等位基因相比，携带ApoE4等位基因会对ApoE的表达产生负面影响，改变胆固醇代谢，削弱星形胶质细胞摄取Aβ42的能力，并对小胶质细胞功能的多个方面产生负面影响，可能阻碍小胶质细胞清除AD脑中细胞外Aβ[14]。ApoE是低密度脂蛋白受体相关蛋白1(LRP1)的关键配体，ApoE与可溶性Aβ竞争星形胶质细胞中LRP1依赖性细胞的摄取，在使用细胞和条件基因敲除小鼠模型研究中发现，星形胶质细胞中LRP1的缺乏降低了大脑Aβ清除，加剧Aβ积累并加速淀粉样斑块沉积[15]。其次，通过血脑屏障转运的Aβ是由ApoE以异构体依赖的方式介导的。研究表明，Aβ-ApoE2和Aβ-ApoE3复合物均可被血脑屏障的极低密度脂蛋白受体(VLDLR)和LRP1清除，而Aβ与ApoE4的结合将其清除作用从LRP1重定向至VLDLR，由于VLDLR介导的Aβ-ApoE复合物在血脑屏障的内化速度比LRP1慢，因此，通过VLDLR和LRP1在血脑屏障清除Aβ-ApoE2和Aβ-ApoE3复合物的速度明显快于Aβ-ApoE4复合物[16]。然后，由于Aβ沉积在脑毛细血管和动脉基底膜的分布对应于血管周围的引流途径，脑间质液中的Aβ可以沿着毛细血管壁和动脉壁的基底膜的大量流动从大脑中清除。向表达人ApoE3或ApoE4基因的靶向替代小鼠和野生型小鼠脑内注射Aβ40的研究结果表明，ApoE4等位基因可能通过修饰脑血管基底膜蛋白的表达，并破坏脑内Aβ的血管周围引流效率而促进了Aβ在AD中的蓄积[17]。另外，Aβ还可以通过小胶质细胞和星形胶质细胞分泌的蛋白水解酶如脑啡肽酶和胰岛素降解酶经历蛋白水解降解的途径来清除，脑啡肽酶和胰岛素降解酶缺乏会导致体内Aβ水平增加和淀粉样蛋白沉积。脂化的ApoE通过增强脑啡肽酶和胰岛素降解酶的活性，以E2>E3>E4的顺序增加了ApoE缺陷小胶质细胞的Aβ降解[18]。因此，受体介导的胶质细胞摄取、血脑屏障转运、血管周围引流及蛋白水解降解途径介导的Aβ清除可能受ApoE4等位基因的影响。

总之，当Aβ产生过多或清除效率低时，就会造成Aβ在脑中积聚，从而引起一系列的病理生理表现。虽然目前关于ApoE4影响Aβ的产生、清除的机制还有待更深入的研究，但可以明确的是，ApoE4可以通过增加Aβ的沉积引起AD的发生和发展。

2.2ApoE影响tau蛋白水平 神经元纤维缠结(NFT)主要成分是tau蛋白，tau蛋白是一种主要在神经元中表达的微管相关蛋白，在生理条件下参与微管的聚合和维持微管的稳定性。tau蛋白的生理功能受到多种翻译后修饰的高度调节，包括磷酸化、乙酰化、糖基化及泛素化等。这些修饰的改变会影响tau蛋白功能，并可能导致病理状况，其中tau蛋白的过度磷酸化导致其与微管分离，从而损害了正常神经元活动所需的轴突稳定性和运输。AD中过度磷酸化的tau蛋白通常沿神经网络以定型模式从一个区域传播到另一个区域，NFT首先出现在内侧颞叶，随后通过海马区扩散到整个大脑皮层，这表明过度磷酸化的tau蛋白的扩散与神经功能障碍密切相关[19]。近年来，研究结果表明，ApoE对以过度磷酸化tau蛋白聚集为特征的AD起着一定作用。与ApoE3/3神经元相比,人诱导多能干细胞来源的ApoE4/4神经元产生更多的ApoE片段，具有更高的磷酸化tau蛋白水平[20]。ApoE在调节tau蛋白介导的神经变性中起着重要作用，其中ApoE4引起更严重的损害，而ApoE的缺乏则具有保护作用。在利用人类ApoE基因敲入或敲除转基因小鼠模型的研究中发现，与携带ApoE2和ApoE3等位基因的小鼠相比，携带ApoE4等位基因的小鼠脑萎缩明显更多，而ApoE的缺乏极大程度地减弱了小鼠的神经元丢失及脑萎缩[21]。综上所述，ApoE等位基因可能以一种异构体依赖的方式影响tau蛋白病理和tau蛋白介导的神经变性。虽然ApoE等位基因对tau蛋白磷酸化特异性影响已经得到了一定程度的证明，但是ApoE亚型和这些致病蛋白之间的联系仍需要我们进一步研究。

2.3ApoE影响AD的其他途径 ApoE在调节对Aβ病理和神经变性的先天免疫反应中具有重要作用，小胶质细胞在脑内的免疫反应中起着中心作用，表现为AD患者死后脑组织围绕Aβ的大量反应性小胶质增生[6]。在一项对人额叶皮质活检的社区老年队列的研究中发现，小胶质细胞和相关炎性细胞因子与AD病理之间的关系与是否携带ApoE4等位基因有关。即在不携带ApoE4等位基因的AD个体中，白细胞介素10(IL-10)、IL-13、IL-4、IL-1α水平的升高与tau蛋白病理水平降低相关，而携带ApoE4等位基因的AD个体的小胶质细胞和tau蛋白病理水平更高，这表明在缺乏ApoE4情况下的免疫系统可能具有潜在的保护作用。这种免疫反应的改变可能部分解释了携带ApoE4等位基因的个体有更严重的Aβ和tau蛋白病理水平，支持了ApoE在人脑免疫和胶质细胞功能中的调节作用[22]。目前，虽然关于ApoE4参与炎性反应的具体机制尚未完全清楚，但是通过调节神经炎性反应可能会成为未来治疗AD的一个方向。

突触丢失是AD患者大脑皮质萎缩的原因之一[1]。越来越多的证据表明，在AD患者的大脑中，ApoE与神经元信号传导及突触的完整性有关。由ApoE介导的最具特征的神经元信号传导途径是Reelin途径，其通过ApoE受体2(APOER2)发挥作用。Reelin信号级联反应在神经元迁移、树突棘重塑和突触可塑性的过程中起重要作用。Reelin在突触后与APOER2结合，导致N-甲基-D-天冬氨酸受体磷酸化、钙离子内流和长时程增强。与ApoE2及ApoE3相比，ApoE4由于会促进APOER2的细胞摄取而不利于上述过程，这限制了Reelin的结合，从而导致了突触可塑性的降低[23]。由于突触丢失与AD患者认知功能下降密切相关，深入研究ApoE4对突触功能的影响机制可以帮助我们进一步认识AD。

ApoE是大脑中关键的脂质转运蛋白，在胆固醇的合成和输送过程中起关键作用，ApoE可通过维持大脑神经元脂质稳态来维持机体的健康状态。星形胶质细胞中ApoE的脂化作用主要是由三磷酸腺苷结合盒转运蛋白a1负责的。一项大规模的人群研究发现，人群中三磷酸腺苷结合盒转运蛋白a1功能的丧失可导致血浆ApoE降低，并增加了AD、脑血管疾病和出血性卒中的风险。而在小鼠模型中，三磷酸腺苷结合盒转运蛋白a1的过表达会增加ApoE的脂化，并增强淀粉样蛋白清除率，对轴突损伤具有有益的作用。研究发现，相对于ApoE2、ApoE3、ApoE4的脂化较差，携带ApoE4等位基因个体的脑脊髓液中的ApoE蛋白水平降低了约30%[24]。另外，最近的一项使用人诱导多能干细胞来源的星形胶质细胞的研究结果表明，与ApoE3/3相比，ApoE4/4的脂化程度较低，会进一步减弱ApoE的神经营养功能[25]。由此可见，ApoE与脂质相互作用对AD的影响可能与ApoE亚型的功能减弱有关。

ApoE介导的脑葡萄糖低代谢和胰岛素信号传导受损与AD的发病机制密切相关。大脑葡萄糖代谢紊乱被认为通过诱导氧化应激、炎症、线粒体功能障碍、自噬损伤、兴奋性毒性和凋亡来介导Aβ沉积和tau蛋白过度磷酸化。脑葡萄糖低代谢反映了突触功能障碍和神经变性的程度[26]。在使用人ApoE基因靶向替代小鼠的研究中表明，人类ApoE亚型可差异性调节大脑葡萄糖代谢，而己糖激酶表达和活性的差异可能是3种ApoE亚型对大脑葡萄糖利用的独特影响，己糖激酶活性在表达ApoE2细胞中最高，在表达ApoE4细胞中最低[27]。临床试验表明，鼻腔注射胰岛素治疗对AD患者的认知功能的改善受ApoE亚型的调节，ApoE亚型差异影响脑胰岛素信号传导的分子和细胞机制。与ApoE3相比，ApoE4通过将胰岛素受体捕获在内体中而损害其运输，从而导致胰岛素信号传导受损及抑制胰岛素诱导的线粒体呼吸和酵解[28]。因此，进一步研究脑内葡萄糖低代谢及胰岛素信号传导受损的机制，不仅有助于了解AD的发病机制，还可以为AD的诊断和治疗寻找新的靶点。

3 小 结

AD作为一种常见的神经退行性疾病，患病率呈逐年增长趋势，不仅给患者的身体及心理造成巨大伤害，也给国家和社会带来了沉重的负担。随着我国老龄化人口的逐渐增加，如何预防和治疗AD变得越来越重要。由于ApoE作为AD的主要遗传危险因素，在疾病发展过程的早期ApoE可能通过改变Aβ在脑中的沉积、tau蛋白磷酸化等中枢神经系统病理改变AD的病理轨迹，因此ApoE可能成为AD治疗的靶点。通过抗ApoE4免疫疗法、反义寡核苷酸治疗、抑制组蛋白去乙酰化酶等方式降低ApoE水平，增强三磷酸腺苷结合盒转运蛋白a1介导的ApoE4脂化作用、利用基因编辑和基因治疗、生活方式和饮食等方式调节ApoE的功能[29]，以此来促进AD不同治疗策略的发展。因此，探究ApoE与AD的联系及其调控AD发生、发展的分子机制可以为预防、诊断及治疗AD提供新的方向，这对于精准医学新兴时代的靶向治疗非常重要。