載脂蛋白E通過與Aβ相互作用參與阿爾茨海默病的病理過程研究進展

楊博文，毛興佳，馬 騰，宋濬哲，李 凡，張 策

阿爾茨海默病(AD)是一種起病隱匿的神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，以進行性認知功能障礙和行為損害為特征，它是老年期癡呆最常見的形式。老年斑和神經(jīng)纖維纏結(jié)是AD標志性的病理改變。Aβ肽是老年斑與神經(jīng)纖維纏結(jié)的主要成分，包含40個或42個氨基酸，由淀粉樣前體蛋白(APP)經(jīng)酶切形成。Aβ積累、聚集、沉積在腦實質(zhì)內(nèi)形成老年斑，同時在腦血管周邊區(qū)造成淀粉樣血管病(CAA)，這可能是AD發(fā)病機制的中心環(huán)節(jié)[1]。除了Aβ的沉積，可溶性Aβ寡聚物通過破壞突觸功能和激活下游毒性通路而損傷突觸，最終導致神經(jīng)退行性病變和認知障礙[2]。

無論早發(fā)型家族性阿爾茨海默病(FAD)，還是遲發(fā)型阿爾茨海默病(LOAD)，均與遺傳因素有關(guān)。根據(jù)雙生子研究的結(jié)果，預測得出LOAD的遺傳可能性高達80%[3]。人類ApoE具有三種主要的亞型：ApoE2、ApoE3、ApoE4，不同的亞型具有不同的生物學作用，在編碼ApoE的基因中，ApoE4是LOAD最重要的易感基因[4]，而ApoE2等位基因則對AD發(fā)病具有保護作用[5]。雖然利用全基因組相關(guān)研究(GWAS)明確了其他的LOAD遺傳基因位點，但它們增加AD患病風險的作用比ApoE弱很多[6]。雖然大量研究包括體內(nèi)和體外實驗已經(jīng)證實了ApoE4增加AD患病風險的途徑，但仍無法理解其確切的機制，且現(xiàn)有的解釋還存在爭議。

本研究著重討論ApoE亞型如何以不同的方式調(diào)節(jié)AD的發(fā)病過程，特別是由Aβ介導的途徑，闡述ApoE的結(jié)構(gòu)及其生物化學的特點，ApoE對腦內(nèi)細胞攝取Aβ的作用，ApoE在Aβ聚集和清除過程中發(fā)揮的作用。Aβ也會對ApoE產(chǎn)生作用，即Aβ與ApoE之間可能存在相互作用。

1 ApoE的結(jié)構(gòu)和生物化學特點

1.1 ApoE的結(jié)構(gòu)特點 人類ApoE蛋白是由299個氨基酸組成的載脂蛋白，它具有兩個結(jié)構(gòu)域即N-末端結(jié)構(gòu)域和C-末端結(jié)構(gòu)域，分別包含受體結(jié)合區(qū)和脂質(zhì)結(jié)合區(qū)[7]。人類ApoE基因位于19q13，編碼著三種主要的ApoE亞型：ApoE2，ApoE3，ApoE4。三種ApoE亞型的區(qū)別僅在于112位和158位上的氨基酸殘基不同：ApoE2(Cys112，Cys158)、ApoE3(Cys112，Arg158)、ApoE4(Arg112，Arg158)[8]，這種區(qū)別在分子和細胞水平?jīng)Q定了ApoE的結(jié)構(gòu)和功能，同時也改變了與AD相關(guān)的病理作用。ApoE2與ApoE3傾向于和高密度脂蛋白(HDL)結(jié)合，而ApoE4與低密度脂蛋白(LDL)和極低密度脂蛋白(VLDL)的親和力更高[9-10]。

1.2 ApoE的生物化學來源 ApoE表達于多種組織，表達量最高的是肝臟，其次為腦。在腦組織中，主要由星形膠質(zhì)細胞、小膠質(zhì)細胞、血管平滑肌細胞和脈絡(luò)叢表達ApoE，而應(yīng)激狀態(tài)下神經(jīng)元則構(gòu)成ApoE的主要來源[11]。

2 ApoE對Aβ腦內(nèi)細胞攝取的作用

2.1 ApoE和Aβ的三種共同受體 在腦中有大量的LDLR，LRP1和HSPG，他們是主要的ApoE受體，調(diào)控著細胞對ApoE和Aβ的攝取。缺乏LDLR會導致ApoE在小鼠腦中聚積，而LDLR過量表達會使ApoE的水平降低50%～90%[12]，這表明LDLR在腦內(nèi)的ApoE代謝中扮演著重要的角色。離體實驗顯示Aβ可以直接與LDLR結(jié)合，LDLR的過度表達可以顯著增加星形膠質(zhì)細胞對Aβ的攝取，而LDLR的減少具有相反的效應(yīng)[13]。

LR11/SorLA屬于LDLR家族，它在Aβ的細胞攝取中發(fā)揮的作用與ApoE亞型有關(guān)，具體表現(xiàn)為ApoE4>ApoE3>ApoE2。Yajima等[14]的研究顯示，相比于ApoE2和ApoE3，ApoE4的存在能加速細胞對Aβ的攝取，因為ApoE4與神經(jīng)元表面的LR11/SorLA形成復合物(ApoE-L11 Complex)的效率更高，然而這一發(fā)現(xiàn)與AD發(fā)病過程之間的關(guān)系尚不明確。細胞對于Aβ攝取的加強可能會產(chǎn)生兩種后果，負面的效果是這將增加細胞內(nèi)Aβ的濃度，播下Aβ寡聚物的種子，這是Aβ的一種毒性形式；而積極意義在于細胞攝取Aβ的水平升高也會促進腦內(nèi)Aβ的清除[15]。而上述的負面效應(yīng)更具有生理學意義，因為它與ApoE4在AD病人中的廣泛表達相吻合。

LRP1是對腦中ApoE的代謝具有重要作用的一種受體，同時也是被研究最多的Aβ受體之一。Kanekiyo等[16]的研究顯示，Aβ首先與細胞表面的HSPG受體結(jié)合，隨后通過非LRP1依賴性或LRP1依賴性的途徑被細胞內(nèi)吞。因此，HSPG缺乏會顯著降低細胞對Aβ的結(jié)合與攝取。首先，HSPG是一個同時針對ApoE和Aβ的細胞表面受體，二者競爭細胞的內(nèi)化，ApoE結(jié)合于細胞表面的HSPG而抑制Aβ的胞內(nèi)攝取。其次，潴留在胞外的Aβ通過蛋白酶水解的途徑被清除，而ApoE的不同亞型可能會改變Aβ的聚集形式，從而影響蛋白酶對Aβ的水解作用。盡管Aβ與HSPG結(jié)合后能被轉(zhuǎn)運到溶酶體降解，但此過程因Aβ聚集和寡聚體形成而顯現(xiàn)出毒性作用。僅有小于總數(shù)5%的Aβ與ApoE發(fā)生相互作用[17-18]，但該反應(yīng)對于Aβ清除有重要意義。

2.2 ApoE對Aβ細胞攝取的雙重作用 一些研究證明，ApoE通過與Aβ形成復合物加強細胞對Aβ的攝取，且ApoE3能比ApoE4更有效地易化Aβ結(jié)合于細胞表面的過程[19]，從而加強神經(jīng)元對Aβ的攝取。然而，其他的一些研究顯示，ApoE可能會同Aβ競爭與受體的結(jié)合，從而干擾細胞對Aβ攝取。ApoE通過LRP1依賴性的途徑干擾了星形膠質(zhì)細胞對可溶性Aβ的攝取[20]。這些矛盾的結(jié)果也可能是由不同的實驗條件造成。由于Aβ和肝素可以與ApoE的脂質(zhì)結(jié)合區(qū)、ApoE的受體結(jié)合區(qū)以及復雜的ApoE受體網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，故ApoE對于Aβ的細胞結(jié)合及攝取的作用很可能取決于二者濃度的相對大小、Aβ的聚集狀態(tài)、ApoE的亞型、ApoE的脂化狀態(tài)、受體在細胞表面表達的形式等因素，這需要由更多的研究來闡明，特別是活體內(nèi)的研究。

2.3 溶酶體對Aβ的處理有利有害 細胞攝取的Aβ主要通過早期和晚期的核內(nèi)體向溶酶體轉(zhuǎn)運，最終在溶酶體降解。一般來說細胞攝取ApoE對Aβ的清除是有益的[19-21]。然而，當溶酶體的降解功能受損[19]或大量Aβ存在于AD病人腦中時[21-22]，Aβ向溶酶體的轉(zhuǎn)運會導致Aβ聚積，產(chǎn)生毒性效應(yīng)。同時，Aβ的聚積又會誘導溶酶體功能障礙和細胞毒性[21]，形成惡性循環(huán)。更重要的是，這些從溶酶體開始的Aβ聚積可以明顯加劇Aβ的聚積，形成放大效應(yīng)，最終加快了細胞外Aβ寡聚體的產(chǎn)生和淀粉樣斑塊的沉積。

3 ApoE對Aβ聚集的作用

3.1 ApoE對Aβ聚集的雙重作用 ApoE對Aβ的聚集具有促進作用。將敲除ApoE基因的小鼠與作為淀粉樣病變模型的PDAPP或Tg2576鼠進行雜交，觀察到淀粉樣斑塊和CAA中的Aβ沉積均顯著減少，可見，鼠類ApoE在Aβ的聚積過程中發(fā)揮了重要的作用[23-24]。同樣，人類ApoE 4等位基因攜帶者體內(nèi)淀粉樣斑塊和CAA的含量更高[25]。高濃度的ApoE會和Aβ形成高分子量的共聚集體[26]，并以這種形式促進Aβ的聚集。然而，另一些研究則顯示ApoE能減少Aβ纖維的生成，因為ApoE對Aβ纖維形成的啟動環(huán)節(jié)具有顯著的抑制作用[27]。

3.2 不同來源的ApoE對Aβ聚集的作用 不同來源的ApoE對Aβ聚集的促進作用有所不同。Fan等[28]實驗說明，鼠類 ApoE能促進老年斑形成，而人類ApoE4更傾向于促進腦實質(zhì)中CAA的發(fā)生，這是鼠類ApoE、人類ApoE4與Aβ產(chǎn)生的效應(yīng)有差異而引起的。具體原因可能是兩種ApoE生化特性受遺傳影響使他們處在腦中不同的位置，鼠類ApoE位于腦實質(zhì)而人類ApoE4位于脈管系統(tǒng)，導致兩種ApoE與Aβ以不同的方式發(fā)生反應(yīng)。用表達突變型人類AβDutch/Iowa(E22Q/D23N)的轉(zhuǎn)基因鼠同樣證明：ApoE通過和Aβ反應(yīng)作用于Aβ的聚集過程，進而調(diào)節(jié)Aβ的病理過程[28-30]。ApoE的物種來源、亞型、位置都會影響Aβ的聚集。未來的研究需要對這幾種因素的作用分別進行評估，這將為理解ApoE在Aβ聚集過程中如何發(fā)揮作用指引方向。

4 ApoE對Aβ清除的作用

ApoE以亞型依賴性的方式增強了小膠質(zhì)細胞內(nèi)腦啡肽酶(NEP)介導的Aβ清除：ApoE2>ApoE3>ApoE4[31]。ApoE還能促進胞外NEP和胰島素降解酶(IDE)介導的 Aβ的清除[31]。而且脂化后的ApoE比未脂化的表現(xiàn)出更強的促進作用[32]。據(jù)推測，ApoE可能通過轉(zhuǎn)換Aβ的結(jié)構(gòu)，使其更容易被NEP和IDE識別，從而促進了Aβ的清除。與ApoE4/Aβ復合物相比，ApoE2/Aβ和ApoE3/Aβ復合物在血腦屏障上以更快的速率被清除，這是因為ApoE4破壞了血腦屏障，造成了腦血流的減少，從而抑制Aβ的清除[33-34]。

ApoE還通過調(diào)節(jié)小膠質(zhì)細胞吞噬作用的激活和控制小膠質(zhì)細胞的遷移來促進Aβ的清除。小膠質(zhì)細胞在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中發(fā)揮著巨噬細胞的作用，ApoE能使巨噬細胞的功能活動由促炎的M1機制轉(zhuǎn)變?yōu)榭寡椎腗2機制[35]，ApoE以此方式調(diào)控著小膠質(zhì)細胞的激活過程。同時，ApoE的各種亞型差異性地調(diào)控著小膠質(zhì)細胞的遷移，和ApoE3-TR鼠相比，ApoE4-TR鼠體內(nèi)的小膠質(zhì)細胞遷移的更慢[36]。

5 Aβ對ApoE的影響

除了上述ApoE可以通過不同方式對Aβ產(chǎn)生廣泛作用，有報道顯示Aβ也可對ApoE發(fā)揮多種影響。Anika等[37]的研究顯示，隨著Aβ含量的增加，人SY5Y細胞會產(chǎn)生更多的內(nèi)源性ApoE3碎片。在此過程中，Aβ的位置很重要，細胞外的Aβ能增加完整長度的ApoE的含量，胞內(nèi)Aβ則使ApoE發(fā)生破碎。ApoE碎片在突觸體富集區(qū)堆積，與突觸體內(nèi)COX Ⅳ等線粒體蛋白連接，并發(fā)揮線粒體毒性作用[38]。在腦中，星形膠質(zhì)細胞的質(zhì)膜上有ATP結(jié)合盒轉(zhuǎn)運子(ABCA1)，其功能是將膽固醇和其他脂類裝載到載脂蛋白顆粒上[39]。Aβ可誘導星形膠質(zhì)細胞的ABCA1和ABCG1表達增加[40]，由此增加ApoE顆粒的脂質(zhì)含量，而ApoE的脂化狀態(tài)發(fā)生改變將進一步影響Aβ的生物學效應(yīng)。

6 總結(jié)與展望

ApoE 4等位基因是LOAD最重要的遺傳風險因素，對人和動物模型中的淀粉樣病理過程有促進作用。ApoE與Aβ可以發(fā)生反應(yīng)，二者共有相同的受體，因此具有競爭性結(jié)合的特征，更重要的是，ApoE、Aβ和它們的受體之間反應(yīng)受多種因素影響：ApoE的亞型、ApoE的脂化狀態(tài)，Aβ的聚集狀態(tài)和受體的分布。不同ApoE亞型對Aβ清除的作用有所差異：①ApoE和Aβ與受體的競爭性結(jié)合抑制了細胞對Aβ的攝取，另一方面，ApoE又通過形成ApoE/Aβ復合體而促進細胞對Aβ的攝取和清除；②ApoE減少了Aβ寡聚物和纖維的形成，但同時又促進了Aβ的聚集；③ApoE促進膠質(zhì)細胞對Aβ的吞噬和降解，卻也損害了血腦屏障清除Aβ的功能。現(xiàn)在并不明確通過與Aβ相互作用ApoE加強了還是抑制了Aβ的毒性效應(yīng)。而揭示二者的相互作用等關(guān)聯(lián)對闡明AD的發(fā)病機制具有重大意義。

總體來看，ApoE對Aβ的細胞攝取、聚集和清除均有多種調(diào)節(jié)效應(yīng)?，F(xiàn)階段存在的疑惑包括：若要延緩AD的病理進程，應(yīng)該增加還是減少ApoE含量，抑或是僅僅改變其脂化狀態(tài)；ApoE4改變AD病理變化的確切途徑。未來的研究應(yīng)該關(guān)注的重點在于：為何僅ApoE3和ApoE4之間一個氨基酸序列的改變即可造成它們性質(zhì)和功能的巨大差異，該如何利用現(xiàn)有理論，針對ApoE和Aβ的相互作用在AD發(fā)病中發(fā)揮的功能，設(shè)計出靶向性的治療方法。

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