載脂蛋白E及其受體調(diào)控阿爾茨海默病的研究進(jìn)展

楊 爍， 趙 崴， 王海濤綜述， 付 源審校

阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)也稱老年癡呆，是以進(jìn)行性記憶減退、認(rèn)知障礙和人格改變?yōu)橹饕R床表現(xiàn)的神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病[1]。細(xì)胞外β-淀粉樣蛋白(β-amyloid,Aβ)沉積和細(xì)胞內(nèi)神經(jīng)元纖維纏結(jié)(neurofibrillary tangles,NFTs)所導(dǎo)致的神經(jīng)元丟失和膠質(zhì)細(xì)胞活化是AD的重要病理特征[2]。流行病學(xué)調(diào)查顯示65歲以上人群的AD發(fā)病率為13%，而85歲以上AD發(fā)病率高達(dá)45%，預(yù)計(jì)到2050年全世界將有超過(guò)8000萬(wàn)人遭受AD困擾[3]。AD已成為當(dāng)今社會(huì)的嚴(yán)重負(fù)擔(dān)，明確AD的發(fā)病機(jī)制從而開(kāi)發(fā)AD新治療策略刻不容緩。AD根據(jù)發(fā)病年齡分為早老性AD(early-onset AD,EOAD)和遲發(fā)型AD(late-onset AD,LOAD),前者通常發(fā)生在65歲以前，所占比例不到所有患者的1%，具有家族遺傳性，主要由于淀粉樣蛋白前體基因和基因中編碼的早老素1或早老素2的突變引起[4]。后者發(fā)病在65歲之后，多為散發(fā)性，載脂蛋白E(apolipoprotein E,ApoE)的ε4等位基因與其發(fā)病關(guān)系最密切，但具體作用機(jī)制尚不明確。ApoE4通過(guò)多種不同的途徑產(chǎn)生神經(jīng)毒性作用，從而增加AD患病風(fēng)險(xiǎn)[5]。

1 ApoE的結(jié)構(gòu)和功能

ApoE是一種富含精氨酸的堿性蛋白，人ApoE是由299個(gè)氨基酸殘基組成，分子量為34145 kD。在人類(lèi)基因組中，ApoE基因包含3個(gè)等位基因:ε2、ε3和ε4，其全球基因頻率分別為8.4%、77.9%、13.7%，ApoEε4等位基因在AD患者中出現(xiàn)頻率高達(dá)40%[6]。全基因組關(guān)聯(lián)分析顯示，具ApoEε4等位基因的人群罹患散發(fā)性及家族遺傳的LOAD概率顯著增加[7]。ApoE分子多態(tài)性是由于其第112位半胱氨酸(Cys)和第158位精氨酸(Arg)的差異，ApoE3第112位為Cys，而第158位為Arg、ApoE4皆為Arg、ApoE2皆為Cys。雖然ApoE3種最常見(jiàn)的亞型僅有一個(gè)或兩個(gè)氨基酸的差異，但它們具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和功能，這可能解釋它們對(duì)AD患病風(fēng)險(xiǎn)的不同影響[4,8]。

ApoE是外周和中樞神經(jīng)系統(tǒng)中分泌的脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，參與調(diào)節(jié)脂類(lèi)平衡。血漿和腦脊液中ApoE的濃度分別約為40～70 μg/ml和3～5 μg/ml。研究表明腦脊液中較低的ApoE水平與腦內(nèi)Aβ沉積增加相關(guān)，而APOEε4基因攜帶者的腦脊液和血漿中ApoE水平均顯著降低[9]。人腦中存在多種ApoE的受體，其中主要包括低密度脂蛋白受體(low-density lipoprotein receptor,LDLR)、低密度脂蛋白受體關(guān)聯(lián)蛋白1(low-density lipoprotein receptor related protein 1,LRP1)和硫酸乙酰肝素蛋白聚糖(heparan sulfate proteoglycans,HSPG)受體等[5]。在非脂質(zhì)化狀態(tài)下ApoE的N末端受體結(jié)合域內(nèi)的正電荷殘基不能與LDLR結(jié)合，在脂質(zhì)化后ApoE展現(xiàn)出與LDLR更強(qiáng)的結(jié)合親和力[10]。LRP1優(yōu)先與重組ApoE或ApoE聚合物結(jié)合[11]，而脂質(zhì)化和非脂質(zhì)化ApoE都與細(xì)胞表面HSPG結(jié)合。此外LRP1可以與HSPG形成受體復(fù)合物從而介導(dǎo)細(xì)胞攝取ApoE，這表明ApoE受體在細(xì)胞表面具有重要的協(xié)同作用[12]。

2 ApoE及其受體與Aβ代謝

淀粉樣蛋白斑塊是AD的病理標(biāo)志之一，主要由Aβ聚集的原纖維組成[8]。Aβ主要通過(guò)跨血腦屏障運(yùn)輸、蛋白酶降解和神經(jīng)細(xì)胞攝取降解等途徑進(jìn)行清除，Aβ的產(chǎn)出和清除的失平衡導(dǎo)致毒性Aβ的堆積和聚集。毒性Aβ的異常聚集會(huì)形成可溶性Aβ多聚物，神經(jīng)內(nèi)源性Aβ和淀粉樣蛋白斑塊，這些毒性物質(zhì)會(huì)損傷神經(jīng)元突觸并引起神經(jīng)元凋亡[9]?？扇苄訟β和細(xì)胞表面受體結(jié)合啟動(dòng)了毒性級(jí)聯(lián)反應(yīng)，從多種途徑影響神經(jīng)元正常代謝，進(jìn)而導(dǎo)致了神經(jīng)退行性病變和認(rèn)知功能的損傷[13]。毒性Aβ的異常聚集可能反映了AD患者腦內(nèi)Aβ的過(guò)度產(chǎn)生、無(wú)效清除、或兩者兼有，在這一過(guò)程中ApoE及其受體起到關(guān)鍵作用。利用AD小鼠模型研究發(fā)現(xiàn)ApoE4顯著增加了早期的Aβ水平，但對(duì)后期的Aβ產(chǎn)生無(wú)顯著影響，提示ApoE4在體內(nèi)調(diào)節(jié)Aβ病理發(fā)生的過(guò)程中，對(duì)早期Aβ形成的過(guò)程最為重要[14]。肝臟X受體(liver X receptor,LXR)和維甲酸X受體(retinoid X receptor,RXRs)激動(dòng)劑增加ApoE水平和脂質(zhì)化狀態(tài)并促進(jìn)Aβ清除，改善AD小鼠的認(rèn)知功能[15]。在正常生理情況下，ApoE均存在不同程度的脂質(zhì)化，增加ApoE4的脂質(zhì)化程度可以使Aβ42在攜帶人ApoEε4等位基因小鼠腦內(nèi)的沉積量降低，進(jìn)而減輕認(rèn)知功能的損傷[16]。體外實(shí)驗(yàn)也揭示了ApoE的基因多態(tài)性與Aβ結(jié)合具有不同的作用[17]。具體而言含有ApoE4的脂蛋白脂質(zhì)化較少，致使ApoE4與Aβ形成的復(fù)合物較不穩(wěn)定，最終導(dǎo)致ApoE4/Aβ復(fù)合物穩(wěn)定性降低并且增加Aβ的聚集[18]。另一方面不同形式的Aβ與ApoE也顯示出不同的結(jié)合親和力。已有研究證實(shí)神經(jīng)毒性物質(zhì)主要為可溶性Aβ42和寡聚體Aβ，而攜帶ApoEε4基因的個(gè)體中，可溶性Aβ42和寡聚體Aβ水平增高。這表明不同亞型的ApoE與不同形式的Aβ具有不同的結(jié)合親和力，且結(jié)合速率明顯不同，導(dǎo)致其調(diào)節(jié)Aβ代謝的能力不同，這在一定程度上可以解釋ApoE如何參與AD發(fā)病機(jī)制[13]。

星形膠質(zhì)細(xì)胞中LDLR缺陷會(huì)導(dǎo)致Aβ攝取減少，而LDLR在小鼠中提高Aβ清除率，顯著降低了Aβ聚集，減弱了淀粉樣蛋白斑塊相關(guān)的神經(jīng)炎癥[19]。上調(diào)LDLR水平增強(qiáng)了血腦屏障介導(dǎo)的外源性Aβ的清除，并促進(jìn)內(nèi)源性Aβ從腦內(nèi)排出到血液，從而促進(jìn)Aβ清除[20]。最新研究也指出星形膠質(zhì)細(xì)胞中LRP1的敲除會(huì)導(dǎo)致基質(zhì)金屬蛋白酶2、基質(zhì)金屬蛋白酶9、胰島素降解酶等Aβ降解酶的表達(dá)量降低，因此LRP1可通過(guò)調(diào)節(jié)這些降解酶從而影響Aβ的細(xì)胞外降解[21]。HSPG可以通過(guò)獨(dú)立和依靠LRP1受體的方式介導(dǎo)ApoE的細(xì)胞攝取，ApoE與Aβ競(jìng)爭(zhēng)HSPG的結(jié)合位點(diǎn)，從而抑制神經(jīng)細(xì)胞攝取Aβ，此作用具有明顯的濃度依賴性[22]。此外HSPG與LRP1以協(xié)同的方式介導(dǎo)神經(jīng)元對(duì)Aβ的攝取，最初Aβ與細(xì)胞表面HSPG結(jié)合，隨后通過(guò)LRP1進(jìn)行內(nèi)吞作用[23]，結(jié)合HSPG的Aβ也可激活LRP1信號(hào)傳導(dǎo)途徑，這些都會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞Aβ攝取的增強(qiáng)[24]。這些研究均表明ApoE可通過(guò)調(diào)控細(xì)胞外Aβ代謝參與AD病理發(fā)生，且調(diào)控的重點(diǎn)取決于ApoE及其受體的特異性結(jié)合。

3 ApoE及其受體與tau蛋白磷酸化

Tau蛋白磷酸化和隨后形成的NFTs是AD的另一個(gè)病理過(guò)程[2]。Tau蛋白是神經(jīng)細(xì)胞中微管相關(guān)蛋白，能夠維持微管結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)定性。過(guò)度磷酸化的tau蛋白是形成NFTs的主要組成部分[25]。有研究標(biāo)明ApoE4通過(guò)激活轉(zhuǎn)基因小鼠海馬中的Erk途徑來(lái)刺激tau蛋白磷酸化，并且隨著AD腦內(nèi)鋅濃度的增加而增強(qiáng)[26]。近來(lái)研究發(fā)現(xiàn)自噬功能缺陷與神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，細(xì)胞自噬參與過(guò)表達(dá)tau蛋白和異常磷酸化tau蛋白的降解，自噬抑制能增加tau蛋白的細(xì)胞毒性，ApoE4可能會(huì)影響自噬介導(dǎo)的tau蛋白清除，從而損傷神經(jīng)元的正常功能[27,28]。ApoE4誘發(fā)腫瘤壞死因子-α分泌產(chǎn)生的神經(jīng)炎癥反應(yīng)，加劇tau蛋白異常磷酸化導(dǎo)致的神經(jīng)元凋亡。此外ApoE4強(qiáng)烈激活小膠質(zhì)細(xì)胞，使其可能通過(guò)直接刺激受損的神經(jīng)元和激活有毒的炎癥反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞而誘導(dǎo)神經(jīng)炎癥反應(yīng)，進(jìn)而加劇神經(jīng)退行性病變[28]。

膽固醇代謝缺陷與tau蛋白異常磷酸化相關(guān)，ApoE通過(guò)LRP1受體促進(jìn)神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞膽固醇的釋放和神經(jīng)元內(nèi)膽固醇的攝取，從而導(dǎo)致tau蛋白異常磷酸化，造成NFTs的早期形成和NFTs的負(fù)荷增加[29]。LRP1也許可以通過(guò)LRP1配體脂蛋白脂肪酶在膽固醇代謝中起作用，LRP1亦可作為影響膽固醇合成和細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)的膽固醇傳感器在膽固醇代謝中發(fā)揮作用，進(jìn)而影響tau蛋白異常磷酸化。ApoE不同亞型差異性調(diào)節(jié)ApoE受體介導(dǎo)的信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)，進(jìn)一步改變tau蛋白激酶和磷酸酶的功能，從而導(dǎo)致tau蛋白異常磷酸化[5]。

4 靶向ApoE的AD治療

ApoEε4基因型將多個(gè)生物過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)展AD的易感條件，雖然ApoE4和神經(jīng)退行性疾病相關(guān)聯(lián)的主要機(jī)制仍有待澄清，但極有可能通過(guò)ApoE調(diào)節(jié)這些生物學(xué)過(guò)程。因此調(diào)節(jié)ApoE基因和ApoE特性是藥物開(kāi)發(fā)和治療AD的重要方向[30]。

核受體過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體(peroxisome proliferator activated receptor γ,PPARγ)，LXR和RXRs均會(huì)對(duì)ApoE的表達(dá)起到正性調(diào)節(jié)的作用[31]。研究顯示貝沙羅汀能夠通過(guò)刺激RXRs來(lái)增加腦部ApoE的表達(dá)量,進(jìn)而促使Aβ清除[32]。LXR激動(dòng)劑GW3965可提高ApoE水平，從而有效促進(jìn)Aβ42的清除，并可逆轉(zhuǎn)記憶缺陷[33]。為了進(jìn)一步減少AD病理發(fā)生可以聯(lián)合應(yīng)用ω-3脂肪酸二十二碳六烯酸和貝沙羅丁，通過(guò)激活LXR-RXRs信號(hào)途徑來(lái)幫助改善認(rèn)知障礙[34]。此外PPARγ激動(dòng)劑吡格列酮可增加ApoE的表達(dá)，同時(shí)又可以降低Aβ水平，并且改善淀粉樣蛋白斑塊模型小鼠的認(rèn)知功能，與GW3965共同處理后可以觀察到協(xié)同作用[35]。這些途徑一起參與調(diào)節(jié)腦內(nèi)ApoE水平，將成為AD藥物治療的靶點(diǎn)。ApoE的內(nèi)吞作用主要由LDLR和LRP1受體介導(dǎo)，ApoE通過(guò)產(chǎn)生ApoE/Aβ復(fù)合物或競(jìng)爭(zhēng)性抑制受體與Aβ的結(jié)合從而通過(guò)這些受體促進(jìn)Aβ的細(xì)胞攝取[30]。因此增加LRP1和LDLR可以作為AD中激活A(yù)β清除途徑的治療方法。包括利福平、咖啡因和氟伐他汀在內(nèi)的幾種化合物可能通過(guò)增加LRP1水平而對(duì)AD有保護(hù)作用[36]。

ApoE蛋白的生物活性形式與脂質(zhì)相關(guān)，ApoE的脂化狀態(tài)顯著影響其功能[9]。研究發(fā)現(xiàn)膽固醇?；D(zhuǎn)移酶1(cholesterol acyltransferase 1,ACAT1)酶活性的降低導(dǎo)致淀粉樣蛋白斑塊小鼠模型中Aβ沉積的減少以及認(rèn)知功能的改善[37]，因此ACAT缺失可能影響ApoE脂化狀態(tài)。ACAT1抑制劑可能以ApoE脂化的上游為靶點(diǎn)而成為抗AD藥物，ACAT1抑制劑K604可以通過(guò)小膠質(zhì)細(xì)胞中的自噬介導(dǎo)的溶酶體蛋白水解來(lái)促進(jìn)Aβ42清除[38]。

N末端的氨基酸殘基112位和158位是ApoE亞型的決定因素，但是殘基Arg61和Glu255之間的相互作用可能是結(jié)構(gòu)上區(qū)分ApoE4和ApoE3的另一特征。這種域-域相互作用可能在ApoE4中產(chǎn)生異常構(gòu)象，導(dǎo)致神經(jīng)毒性[39]。已報(bào)道幾種小分子化合物(GIND25和PH002)通過(guò)阻斷神經(jīng)元中的域-域相互作用來(lái)逆轉(zhuǎn)ApoE4的有害作用。因此修飾ApoE4的病理結(jié)構(gòu)，如結(jié)構(gòu)域相互作用，可能是AD的潛在治療方法[40]。此外通過(guò)基因編輯技術(shù),使用CRISPR/Cas9系統(tǒng)將ApoE4轉(zhuǎn)換為ApoE3或E2可能是治療攜帶ApoEε4的AD患者的有效方法[41]。

5 展 望

AD已成為嚴(yán)重威脅老年人健康的重要疾病，目前尚缺乏有效的治療手段。ApoEε4是LOAD最主要的致病危險(xiǎn)因素，但其對(duì)Aβ、tau蛋白的影響還有待進(jìn)一步探討,有必要開(kāi)展多學(xué)科、多層次綜合研究。以ApoE及其受體作為靶點(diǎn)進(jìn)行深入研究，將對(duì)AD的臨床治療具有重大意義。

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