載脂蛋白E與阿爾茨海默病的相關(guān)性研究進(jìn)展

季燁龍，邱 珍，冷 燕，吳 洋，夏中元

(武漢大學(xué)人民醫(yī)院麻醉科，武漢 430060)

老年癡呆癥是21世紀(jì)最大的醫(yī)療威脅之一，并且已經(jīng)投入了大量的人力、物力去解決，但至今仍無有效的解決方案。而在腦功能紊亂導(dǎo)致認(rèn)知能力下降的疾病中，阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)是最普遍的。全世界AD患者超過3 000 萬人，且大約有13%的患者年齡超過65歲，45%的患者年齡超過85歲[1- 2]。從目前研究來看，該病的致病因素和假說30余種，如家族史、女性、頭部外傷、低教育水平、甲狀腺疾病、母育齡過高或過低、病毒感染等。近年來研究顯示,載脂蛋白E(apolipoprotein E，ApoE)在AD的發(fā)生、發(fā)展中起重要作用[3- 5]。在AD患者中超過60%的人至少攜帶有一個ApoE的等位基因ε4，并且攜帶ApoE- ε4純合子的患者平均年齡為68歲，攜帶ε4雜合子的患者平均年齡為76歲，而未攜帶ε4的患者則為84歲，并且有65%～85%的AD患者攜帶有ApoE的同型體E4[6- 8]。因此，通過對ApoE的特征、功能及其與AD關(guān)系的進(jìn)一步研究,有助于深化對AD機(jī)制的認(rèn)識,為AD預(yù)防和治療提供新的視角?，F(xiàn)就ApoE與AD的相關(guān)性研究進(jìn)展予以綜述。

1 ApoE的生物學(xué)屬性

1.1ApoE的結(jié)構(gòu)和特征 ApoE最初于20世紀(jì)70年代被發(fā)現(xiàn)，并認(rèn)為是一種富含三酰甘油的脂蛋白，但在1982年才被命名為ApoE[9- 10]。ApoE是一種由299個氨基酸構(gòu)成且分子量約為34 200的糖蛋白，并在20世紀(jì)70年代中期由Utermann等通過等電聚焦檢測發(fā)現(xiàn)了ApoE的3種同種型：ApoE2、ApoE3、ApoE4[11]。ApoE含有與低密度脂蛋白受體結(jié)合的結(jié)構(gòu)域——N端結(jié)構(gòu)域和與脂質(zhì)結(jié)合的α- 螺旋結(jié)構(gòu)域——C端結(jié)構(gòu)域[12]。ApoE4獨(dú)具結(jié)構(gòu)域的相互作用——C端和N端結(jié)構(gòu)域之間的相互作用，并且在ApoE4中位于N端結(jié)構(gòu)域的側(cè)鏈精氨酸- 61會與位于C端結(jié)構(gòu)域谷氨酸形成鹽橋，但由于不會出現(xiàn)域的相互作用，在ApoE2和ApoE3中不會出現(xiàn)鹽橋。ApoE基因位于人類第19號染色體的長臂上，它含有3 600個堿基和3個內(nèi)含子及4個外顯子并編碼3個等位基因(分別為ε2、ε3和ε4)[13]，其中ε2占ApoE基因庫的10%～15%,ε3占70%～80%，ε4占5%～10%，并在人群中產(chǎn)生3個純合子(ApoE- ε2/2，ε3/3和ε4/4)和3個雜合子(ApoE- ε3/2，ε4/3和ε4/2)基因型[8]。

在外周組織中，ApoE主要由肝臟和巨噬細(xì)胞產(chǎn)生并以同種型依賴性方式介導(dǎo)膽固醇代謝，其中肝臟產(chǎn)生的ApoE占全部的75%，在血脂正常的人體內(nèi)，ApoE的血漿濃度為0.4～0.8 mg/L。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，ApoE主要由大腦中的星形膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生，也可以由少突膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元產(chǎn)生[7,12]。

1.2ApoE的功能

1.2.1ApoE調(diào)節(jié)脂質(zhì)運(yùn)輸 ApoE的脂質(zhì)代謝作用是將脂質(zhì)從一種組織或細(xì)胞類型轉(zhuǎn)運(yùn)到另一種組織或細(xì)胞類型。ApoE可以與脂蛋白結(jié)合并將它們輸送到肝外細(xì)胞或肝臟中來指導(dǎo)內(nèi)源性三酰甘油和膽固醇以及膳食三酰甘油和膽固醇的代謝[11]。

ApoE主要通過兩個受體途徑完成脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)和遞送功能：第一種是通過肝和肝外細(xì)胞上高度可調(diào)節(jié)的低密度脂蛋白受體途徑；第二種受體途徑是硫酸乙酰肝素蛋白聚糖/低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白途徑[11]。ApoE也可以不通過配體的方式影響脂蛋白的代謝。此外，ApoE還可以直接影響血漿三酰甘油和極低密度脂蛋白水平[11]。

1.2.2ApoE對腦功能的影響 由于ApoE的基因和蛋白具有多態(tài)性，對腦功能的影響也是多樣的。ApoE4可對腦功能產(chǎn)生不利影響。ApoE4可影響認(rèn)知并增加腦血管風(fēng)險。Krell- Roesch等[14]試驗(yàn)表明認(rèn)知功能正常的老年(>70歲)ApoE- ε4攜帶者主觀認(rèn)知障礙的發(fā)生率更高，且Bender和Raz[15]的研究表明，ApoE- ε4等位基因攜帶者的前額體積較小，而較小的前額體積與高齡和血管風(fēng)險相關(guān)。Schilling等[16]發(fā)現(xiàn)ApoE- ε4+(主要是ApoE- ε4/4)基因型與增加的白質(zhì)高信號負(fù)荷和腦微出血相關(guān)，而白質(zhì)高信號和腦微出血均為腦血管病的磁共振成像標(biāo)志物。ApoE4也會影響腦的功能性連接。Zerbi等[17]研究顯示，與ApoE敲除(ApoE- KO)的小鼠相比，ApoE靶向取代(ApoE- TR)的小鼠腦功能性連接缺陷伴隨著海馬中平均擴(kuò)散率的增加而發(fā)生，同時突觸后密度水平也隨之降低,而灌注缺陷僅在生命晚期出現(xiàn)，原因可能是血管危險因素和ApoE作為大腦突觸調(diào)節(jié)劑所導(dǎo)致的。此外，ApoE4可使腦的腦轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)降低、腦血管化減少并產(chǎn)生更薄的基膜，使腦血管萎縮，損害血腦屏障[18]。而ApoE2、ApoE3對于腦的功能具有保護(hù)作用，尤其是對于血腦屏障的保護(hù)。ApoE2、ApoE3通過控制周細(xì)胞中的親環(huán)素A表達(dá)，有效地維持腦微血管中的生理親環(huán)素A水平，從而抑制周細(xì)胞中的親環(huán)素A- 核因子κB- 基質(zhì)金屬蛋白酶9途徑，維持正常神經(jīng)元功能所必需的腦血管完整性[19]。此外，近年來的研究還發(fā)現(xiàn)ApoE基因型會影響腦血管的儲備，實(shí)驗(yàn)顯示CO2吸入激發(fā)的腦血管反應(yīng)性從ε2、ε3到ε4依次減少，而這個反應(yīng)性是腦血管儲備的標(biāo)志物并反映了腦對高碳酸血癥的調(diào)節(jié)能力，但ApoE對這種反應(yīng)性的調(diào)節(jié)機(jī)制尚不清楚[20]。

1.2.3ApoE的其他作用 ApoE具有抗炎作用且抗炎作用強(qiáng)度從ApoE4、ApoE3到ApoE2依次增加[21]。另外，ApoE不同基因型對于骨的影響也不同，ApoE3與骨形成相關(guān)，而ApoE2和ApoE4與骨吸收相關(guān)[22]。同時ApoE可以通過調(diào)節(jié)循環(huán)中的三酰甘油水平調(diào)節(jié)Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞進(jìn)而產(chǎn)生肺泡表面活性物質(zhì)，降低表面張力，并可以在炎性呼吸系統(tǒng)疾病中發(fā)揮保護(hù)作用[23]。

2 ApoE與AD的聯(lián)系

AD是最普遍的神經(jīng)退行性疾病，會導(dǎo)致記憶喪失和認(rèn)知功能的進(jìn)行性和永久性惡化，也是癡呆的主要病因,并占癡呆患者總數(shù)的60%～80%[24]。AD最常見的初始癥狀是記憶新信息的能力逐漸惡化，隨著疾病的進(jìn)展，認(rèn)知功能也隨之下降[1]。而在病理學(xué)上，AD的兩個經(jīng)典組織病理學(xué)標(biāo)志是體外不溶的β淀粉樣蛋白(amyloid β protein，Aβ)積累導(dǎo)致的斑塊形成和體內(nèi)微管相關(guān)的tau蛋白積累導(dǎo)致的神經(jīng)元纖維纏結(jié)[25]。Aβ是由Aβ前體蛋白的連續(xù)切割產(chǎn)生的，隨著Aβ水平升高，會形成可溶性Aβ寡聚體并最終產(chǎn)生不溶性Aβ斑塊，進(jìn)而引起神經(jīng)元和突觸損傷[26]；而tau蛋白是神經(jīng)元微管的生理穩(wěn)定劑，有助于穩(wěn)定軸突和整體神經(jīng)元功能，在AD中tau蛋白變得過度磷酸化并且失去對微管的調(diào)節(jié)能力，最終形成神經(jīng)原纖維纏結(jié)[25]。研究發(fā)現(xiàn)，tau蛋白還能在Aβ的啟動中發(fā)揮促進(jìn)作用[27]。

ApoE4是AD最重要的遺傳風(fēng)險因素，ApoE3是中性的，ApoE2是保護(hù)性的，而ApoE可以通過影響Aβ的沉積、tau蛋白水平、腦磷脂穩(wěn)態(tài)過程中的功能失調(diào)、影響海馬的體積、改變突觸傳遞、影響甲基化程度、ApoE- TREM2相互作用影響AD進(jìn)展。

2.1ApoE影響Aβ的沉積 Aβ的沉積作為AD的特征性表現(xiàn)與ApoE相關(guān)。Huang等[28]的試驗(yàn)使用源自人胚胎干細(xì)胞的神經(jīng)元細(xì)胞，結(jié)果顯示由神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞分泌的ApoE以ApoE4>ApoE3>ApoE2效力等級刺激神經(jīng)元產(chǎn)生Aβ；ApoE與ApoE受體的結(jié)合會激活雙亮氨酸- 拉鏈激酶，然后激活促分裂原活化的蛋白激酶激酶7和胞外信號調(diào)節(jié)激酶，激活的胞外信號調(diào)節(jié)激酶會誘導(dǎo)cFos磷酸化，然后刺激轉(zhuǎn)錄因子活化蛋白1，其反過來又能增強(qiáng)Aβ前體蛋白的轉(zhuǎn)錄，從而增加Aβ水平。同時Verghese等[29]的試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)脂質(zhì)相關(guān)的ApoE與溶液中合成或細(xì)胞來源的可溶性Aβ相互作用可忽略不計或極差，并顯示生理溶液(即腦脊液)中的大多數(shù)ApoE與Aβ無關(guān)，表明ApoE不是可溶性Aβ清除所必需的，并且ApoE同種型通過競爭相同的Aβ清除路徑或?qū)β清除路徑的其他作用抑制可溶性Aβ的攝取，提出ApoE影響Aβ清除的能力可能不是直接通過結(jié)合溶液中的可溶性Aβ而是通過ApoE與低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白1和其他受體的作用介導(dǎo)的。而Mulder等[30]對嚙齒動物ApoE- KO星形膠質(zhì)細(xì)胞試驗(yàn)表明ApoE的Aβ攝取減少作用不依賴于同種型，提出ApoE在彌漫性和致密淀粉樣斑塊附近的局部表達(dá)增多可能導(dǎo)致星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞的Aβ清除率降低。但Yajima等[31]的試驗(yàn)顯示細(xì)胞攝取Aβ存在ApoE同種型依賴性差異，當(dāng)與培養(yǎng)基中分泌ApoE4的供體細(xì)胞共培養(yǎng)時，受體細(xì)胞攝取細(xì)胞外Aβ的能力最為突出，其次是ApoE3和ApoE2。另外，有學(xué)者認(rèn)為ApoE對清除Aβ的影響與各種脂蛋白受體密切相關(guān)，這些受體通過代謝清除或穿過血腦屏障有助于腦Aβ的清除，并觀察到人腦內(nèi)皮細(xì)胞中Aβ暴露后低密度脂蛋白受體和低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白1的脫落增加，且Aβ與ApoE同種型共同處理時，ApoE2和ApoE3的Aβ誘導(dǎo)的受體脫落減少，而在ApoE4受體脫落仍升高[32]。近年來發(fā)現(xiàn)腦中的Aβ大部分是沿著腦動脈壁內(nèi)的基膜而被消除的，其代表性的是腦的淋巴引流通路，通過此通路Aβ迅速從大腦動脈壁基膜中排出，在此期間由于Aβ/ApoE4復(fù)合物與基膜的附著缺陷，ApoE4個體的Aβ血管周圍引流效率降低，導(dǎo)致無法清除或降低腦中積累的Aβ[33]。

2.2ApoE影響tau蛋白水平 tau蛋白同樣在AD中特征性存在，而ApoE可影響tau蛋白水平。Martínez- Morillo等[34]的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)腦脊液總的ApoE水平與腦脊液 Aβ、總的tau蛋白和磷酸化的tau蛋白呈正相關(guān)。此外，腦脊液中ApoE3和ApoE4水平與腦脊液中總的tau蛋白和磷酸化的tau蛋白水平呈正相關(guān)。Toledo等[35]的試驗(yàn)同樣顯示腦脊液ApoE水平與腦脊液總tau蛋白水平呈正相關(guān)，并推測腦脊液ApoE2或ApoE3通過減少tau蛋白和淀粉樣蛋白沉積所致的神經(jīng)元損傷而具有神經(jīng)保護(hù)作用。在Shi等[36]的實(shí)驗(yàn)中，通過在將人類ApoE敲入或敲出的背景上產(chǎn)生P301S tau轉(zhuǎn)基因小鼠，顯示P301S/E4的小鼠腦中具有極高的tau蛋白水平并且在3個月時具有更大程度的體細(xì)胞tau蛋白重新分布。與P301S/E2和P301S/E3小鼠相比，P301S/E4小鼠更易出現(xiàn)腦萎縮和神經(jīng)炎癥，相反P301S/EKO小鼠的神經(jīng)功能良好；與E2、E3相比，表達(dá)E4的P301S tau的神經(jīng)元表現(xiàn)出更高水平的腫瘤壞死因子- α并顯著降低神經(jīng)元活力，而與EKO共培養(yǎng)的神經(jīng)細(xì)胞則表現(xiàn)出高水平的分泌型腫瘤壞死因子- α的活力。近年來研究顯示，將攜帶有E4等位基因的多能干細(xì)胞通過聚類規(guī)則間隔短回文重復(fù)序列/聚類規(guī)則間隔短回文重復(fù)序列相關(guān)蛋白9基因編輯系統(tǒng)校正為E3/E3基因型，并培養(yǎng)分化為前腦興奮性神經(jīng)元，對比發(fā)現(xiàn)，E4細(xì)胞會通過硫酸肝素蛋白多糖依賴性機(jī)制以異構(gòu)體依賴性方式增加磷酸化tau蛋白的釋放[37]。此外，微管相關(guān)蛋白tau基因(microtubule- associated protein tau gene，MAPT)因編碼tau蛋白的微管穩(wěn)定性和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)從而被充分證明與AD中tau病變有關(guān)，而Shen等[38]通過tau正電子發(fā)射斷層掃描的配體發(fā)現(xiàn)MAPT的變異體rs242557可以通過干擾MAPT表達(dá)從而影響tau的累積，也發(fā)現(xiàn)ApoE- ε4+與MAPT的變異體rs242557關(guān)系密切，提示ApoE- ε4+可能通過影響rs242557導(dǎo)致tau增加。

2.3ApoE通過其他途徑影響AD 有學(xué)者認(rèn)為ApoE 影響AD的可能的機(jī)制是ApoE在腦磷脂穩(wěn)態(tài)過程中的功能失調(diào)：與ApoE3對比，ApoE4攜帶者大腦中的磷酸肌醇二磷酸水平降低，原因是ApoE3等位基因通過促進(jìn)磷酸肌醇二磷酸降解酶(磷酸肌醇磷酸酶1)mRNA的降解下調(diào)磷酸肌醇磷酸酶1在腦和神經(jīng)中的表達(dá)，而ApoE4等位基因?qū)α姿峒〈剂姿崦?沒有影響，表明ApoE4等位基因降解磷酸肌醇磷酸酶1的功能喪失[39]。此外還有一個研究補(bǔ)充說明ApoE3等位基因下調(diào)磷酸肌醇磷酸酶1的表達(dá)從而降低了磷酸化的tau水平并抑制tau的糖原合成酶激酶- 3β磷酸化，而ApoE4不具備此功能從而導(dǎo)致AD的進(jìn)展[40]。Saeed等[41]使用神經(jīng)學(xué)評估發(fā)現(xiàn)ApoE4可能通過影響海馬的體積影響記憶和學(xué)習(xí)能力從而改變AD的進(jìn)展。另一個可能的機(jī)制是ApoE通過改變突觸傳遞進(jìn)而影響AD。Sweet等[42]的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在AD的早期至中期病理階段，內(nèi)嗅皮質(zhì)中的突觸蛋白質(zhì)組顯著減少，且在ApoE4靶向替代小鼠中也發(fā)現(xiàn)許多谷氨酸信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和突觸蛋白下調(diào)。Chhibber和Zhao[43]的實(shí)驗(yàn)中同樣顯示了ApoE4攜帶者腦中突觸前和突觸后蛋白被下調(diào)。

Sun等[44]觀察到在輕度認(rèn)知障礙的人群中，ApoE4攜帶者的腦脊液中神經(jīng)顆粒素顯著增高，腦脊液中神經(jīng)顆粒素的高水平反映了早期認(rèn)知障礙中的突觸損傷，表明ApoE- ε4還可能通過損傷突觸增加AD風(fēng)險。另外Yu等[45]的實(shí)驗(yàn)顯示ApoE的ε2/ε3/ε4等位基因改變了ApoE的3′編碼區(qū)的CpG島中CpG含量和甲基化程度，改變了蛋白質(zhì)結(jié)合，從而對AD產(chǎn)生不同的影響。Foraker等[46]的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)AD患者腦組織中DNA甲基化的組織特異性降低(尤其是額葉和海馬)，且小腦內(nèi)的甲基化沒有差異(已知小腦的甲基化程度與AD相關(guān)的變化最小)，結(jié)果顯示ApoE可能通過甲基化影響AD進(jìn)展。ApoE是在骨髓細(xì)胞上表達(dá)的觸發(fā)受體2(triggering receptor expressed on myeloid cells 2,TREM2)的新配體，ApoE與TREM2的高親和力結(jié)合，此外一些數(shù)據(jù)也表明ApoE- TREM2相互作用在調(diào)節(jié)凋亡神經(jīng)元的清除中起關(guān)鍵作用，并且這兩種蛋白質(zhì)的基因與AD的風(fēng)險密切相關(guān)[47]。同時Krasemann等[48]實(shí)驗(yàn)顯示ApoE可導(dǎo)致神經(jīng)退行性改變并損害小膠質(zhì)細(xì)胞的耐受性，而激發(fā)TREM2上的受體會誘導(dǎo)ApoE信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，并且通過靶向ApoE- TREM2途徑可恢復(fù)AD小鼠模型中小膠質(zhì)細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)特征。表明ApoE也可能通過ApoE- TREM2相互作用影響AD的進(jìn)展。此外，在新近研究中，間隙連接點(diǎn)1蛋白(gap junction alpha 1,GJA1)的免疫反應(yīng)性在AD腦中淀粉樣斑塊周圍的星形膠質(zhì)細(xì)胞中增多，GJA1缺乏可以減少營養(yǎng)不良的神經(jīng)突數(shù)量并減輕線粒體氧化應(yīng)激和認(rèn)知障礙，而缺乏GJA1星形膠質(zhì)細(xì)胞也表現(xiàn)出ApoE蛋白水平降低，提示ApoE可能通過影響GJA1進(jìn)而導(dǎo)致AD的發(fā)生、發(fā)展[49]。

3 小 結(jié)

ApoE作為一種重要的載脂蛋白，不僅在脂質(zhì)的運(yùn)輸上起重要作用，在腦、骨、免疫、呼吸等方面也發(fā)揮調(diào)節(jié)作用。現(xiàn)如今我國進(jìn)入老齡化社會，而AD作為主要的神經(jīng)退行性病變，不僅對患者的身體和心理造成巨大傷害，也同樣給國家和社會帶來了巨大的負(fù)擔(dān)。同時ApoE也是AD最重要的遺傳危險因素，所以探究其對AD的影響具有重要意義。目前發(fā)現(xiàn)ApoE可以增加Aβ的沉積、提高tau蛋白的水平并通過促使腦磷脂穩(wěn)態(tài)過程中的功能失調(diào)、改變突觸傳遞、與ApoE- TREM2相互作用影響海馬的體積和甲基化程度加速AD的進(jìn)展，但ApoE對AD的作用機(jī)制仍存在爭議，對于ApoE與AD的聯(lián)系及ApoE調(diào)控AD發(fā)生、發(fā)展的分子機(jī)制也仍需進(jìn)一步研究，并且這將對AD的治療與診斷起關(guān)鍵性作用,并可為AD預(yù)防甚至治療提供新的方向和有效靶點(diǎn)。