阿爾茨海默病與載脂蛋白E的聯(lián)系研究

付 莎 綜述，袁忠明 審校

(重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院老年病科，重慶400010)

阿爾茨海默病(AD)是發(fā)生于老年和老年前期，以進(jìn)行性認(rèn)知功能障礙和行為損害為特征的中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性病變。AD的病理特征包括細(xì)胞外β淀粉樣蛋白(Aβ)異常聚集沉積為淀粉樣斑塊、過度磷酸化的微管相關(guān)蛋白tau在神經(jīng)元內(nèi)聚集為神經(jīng)原纖維纏結(jié)(NFT)、腦淀粉樣血管病、神經(jīng)膠質(zhì)反應(yīng)、神經(jīng)元丟失、突觸丟失等[1]。近年來，有研究發(fā)現(xiàn)，載脂蛋白E(ApoE)與AD的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)。因此，本文對(duì)ApoE的生物學(xué)屬性及其與AD相關(guān)的Aβ沉積、tau蛋白磷酸化、神經(jīng)炎性反應(yīng)、突觸功能、脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)、葡萄糖代謝及胰島素信號(hào)傳導(dǎo)相關(guān)性研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 ApoE的生物學(xué)

ApoE最初在1973年被鑒定為富含三酰甘油的極低密度脂蛋白的一種成分，并被稱為“富含精氨酸的”蛋白，直到1982年才將這種蛋白質(zhì)正式命名為“ApoE”，并被廣泛采用。人類ApoE基因位于第19號(hào)染色體，全長有3 597個(gè)核苷酸，包含4個(gè)外顯子和3個(gè)內(nèi)含子，是由299個(gè)氨基酸組成的相對(duì)分子質(zhì)量約為34 200的糖蛋白，包含與受體結(jié)合的穩(wěn)定的球形氨基末端結(jié)構(gòu)域及與脂質(zhì)結(jié)合的細(xì)長的羧基末端結(jié)構(gòu)域[2]。ApoE基因第158、112取代位點(diǎn)上半胱氨酸-精氨酸交換定義了3種不同的異構(gòu)體，分別為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]。血漿中的ApoE大多數(shù)來源于肝細(xì)胞，但還有其他一些來源，其中最重要的是巨噬細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞和脂肪細(xì)胞。ApoE主要參與脂質(zhì)代謝，但在神經(jīng)保護(hù)、抗微生物防御、氧化應(yīng)激和炎癥等方面也起著一定作用[4]。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，ApoE主要由星形膠質(zhì)細(xì)胞分泌，在應(yīng)激生理?xiàng)l件下由周細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞、脈絡(luò)叢和神經(jīng)元表達(dá)[5]，且對(duì)腦內(nèi)多條途徑進(jìn)行差異性調(diào)節(jié)，包括脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)、突觸完整性和可塑性、葡糖糖代謝和腦血管功能[6]。

2 ApoE與AD的相關(guān)性

ApoE基因多態(tài)性最早是在1975年由UTERMANN等通過等電聚焦模式所揭示，并在1981年由ZANNIS和BRESLOW等進(jìn)一步完善。人類ApoE的3種主要等位基因分別為E2、E3和E4，其中E3是人群中最常見的參考等位基因，有3種純合子表型(E4/4、E3/3和E2/2)和3種雜合子表型(E4/3、E3/2和E4/2)，3個(gè)等位基因產(chǎn)物分別命名為ApoE2、ApoE3、ApoE4[2]。ApoE4是晚發(fā)性、散發(fā)性AD的主要遺傳危險(xiǎn)因素，CORDER等[7]在研究42個(gè)晚發(fā)性AD家庭中所有60歲及以上成員后，發(fā)現(xiàn)ApoE4等位基因以劑量依賴的方式增加AD的風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)病年齡隨ApoE4等位基因數(shù)目的減少而降低。攜帶1個(gè)ApoE4等位基因使風(fēng)險(xiǎn)增加2～4倍，而擁有2個(gè)ApoE4等位基因的人的風(fēng)險(xiǎn)提高8～12倍。與非ApoE4攜帶者相比，ApoE4攜帶者發(fā)病年齡平均降低約12歲。ApoE2等位基因是晚發(fā)性AD的保護(hù)因素，隨著ApoE2等位基因數(shù)目的增加，AD的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)降低，發(fā)病年齡增加[7-8]。近年來，有研究發(fā)現(xiàn)，ApoE與Aβ的代謝、微管相關(guān)蛋白tau介導(dǎo)的神經(jīng)變性、神經(jīng)炎性反應(yīng)、突觸完整性、脂質(zhì)運(yùn)輸、葡萄糖代謝等AD的過程密切相關(guān)[6]。

2.1ApoE與Aβ病理機(jī)制 淀粉樣斑塊在形態(tài)學(xué)上分為彌漫性斑塊和致密核斑塊，是淀粉樣前體蛋白(APP)在神經(jīng)元中被β、γ分泌酶順序裂解后，由40(Aβ40)或42(Aβ42)個(gè)氨基酸組成的Aβ在細(xì)胞外的異常堆積和沉積，在斑塊內(nèi)Aβ42比Aβ40豐富。在AD中，Aβ積累形成具有突觸毒性的中間可溶性寡聚物，以及不溶性的β淀粉樣纖維，它們是致密核斑塊(主要是Aβ42)和腦淀粉樣血管病(主要是Aβ40)的主要成分[1]。CHRISTENSEN等[9]通過對(duì)10例對(duì)照和20例散發(fā)性AD患者的海馬和其他一系列大腦區(qū)域(包括額葉、顳葉皮質(zhì)及小腦)的神經(jīng)內(nèi)Aβ染色發(fā)現(xiàn)，1個(gè)或2個(gè)ApoE4等位基因的存在與神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)Aβ的積累增加密切相關(guān)。MISHRA等[10]利用全腦區(qū)域方法來評(píng)估ApoE基因型對(duì)β淀粉樣蛋白和皮質(zhì)萎縮的縱向變化的空間影響的研究中發(fā)現(xiàn)，與非ApoE4等位基因攜帶者相比，ApoE4等位基因的攜帶者通過皮層彌散性增加了Aβ的縱向積累。因此，了解ApoE4在Aβ的產(chǎn)生、清除、代謝等過程中的作用對(duì)AD的研究有著重要意義。

近年來，有研究發(fā)現(xiàn)，ApoE可以影響Aβ和Aβ寡聚體的水平，HUANG等[11]使用人胚胎干細(xì)胞和誘導(dǎo)多能干細(xì)胞的神經(jīng)元，研究發(fā)現(xiàn)人胚胎腎細(xì)胞293衍生的ApoE通過與細(xì)胞表面ApoE受體結(jié)合激活非經(jīng)典絲裂原活化蛋白激酶信號(hào)傳導(dǎo)途徑，以ApoE4>ApoE3>ApoE2效力等級(jí)刺激淀粉樣前體蛋白的轉(zhuǎn)錄和Aβ的產(chǎn)生。ApoE通過其與脂質(zhì)結(jié)合的羧基末端結(jié)構(gòu)域以同工型依賴方式(ApoE4>ApoE3>ApoE2)提高Aβ寡聚體的水平。ApoE4促進(jìn)并穩(wěn)定了Aβ寡聚，研究發(fā)現(xiàn)E4/4純合子表型的AD患者比E3/3純合子表型的AD患者的Aβ寡聚體水平高2.7倍，與ApoE3/3攜帶者相比，在大腦Aβ寡聚體更高水平的ApoE4/4攜帶者可能會(huì)增加樹突棘的丟失并加速記憶障礙，從而導(dǎo)致AD較早的認(rèn)知功能下降[12]。由此可見，ApoE4可能通過增加Aβ及Aβ寡聚體的產(chǎn)生而增加患AD的風(fēng)險(xiǎn)。

在大腦中由于淀粉樣前體蛋白裂解而不斷產(chǎn)生Aβ，因此有效清除Aβ對(duì)防止Aβ積累和隨后的聚集至關(guān)重要。Aβ從大腦清除的主要途徑有2種：(1)腦實(shí)質(zhì)中的細(xì)胞(小膠質(zhì)細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞、神經(jīng)元)、間質(zhì)液(ISF)排放途徑或通過血腦屏障的受體介導(dǎo)的清除；(2)通過內(nèi)肽酶介導(dǎo)的蛋白水解降解[13]。首先，受體介導(dǎo)的膠質(zhì)細(xì)胞攝取和隨后降解Aβ是腦內(nèi)重要的Aβ清除途徑。在利用人誘導(dǎo)多能干細(xì)胞衍生的星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞的研究中發(fā)現(xiàn)，與攜帶ApoE3等位基因相比，攜帶ApoE4等位基因會(huì)對(duì)ApoE的表達(dá)產(chǎn)生負(fù)面影響，改變膽固醇代謝，削弱星形膠質(zhì)細(xì)胞攝取Aβ42的能力，并對(duì)小膠質(zhì)細(xì)胞功能的多個(gè)方面產(chǎn)生負(fù)面影響，可能阻礙小膠質(zhì)細(xì)胞清除AD腦中細(xì)胞外Aβ[14]。ApoE是低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白1(LRP1)的關(guān)鍵配體，ApoE與可溶性Aβ競爭星形膠質(zhì)細(xì)胞中LRP1依賴性細(xì)胞的攝取，在使用細(xì)胞和條件基因敲除小鼠模型研究中發(fā)現(xiàn)，星形膠質(zhì)細(xì)胞中LRP1的缺乏降低了大腦Aβ清除，加劇Aβ積累并加速淀粉樣斑塊沉積[15]。其次，通過血腦屏障轉(zhuǎn)運(yùn)的Aβ是由ApoE以異構(gòu)體依賴的方式介導(dǎo)的。研究表明，Aβ-ApoE2和Aβ-ApoE3復(fù)合物均可被血腦屏障的極低密度脂蛋白受體(VLDLR)和LRP1清除，而Aβ與ApoE4的結(jié)合將其清除作用從LRP1重定向至VLDLR，由于VLDLR介導(dǎo)的Aβ-ApoE復(fù)合物在血腦屏障的內(nèi)化速度比LRP1慢，因此，通過VLDLR和LRP1在血腦屏障清除Aβ-ApoE2和Aβ-ApoE3復(fù)合物的速度明顯快于Aβ-ApoE4復(fù)合物[16]。然后，由于Aβ沉積在腦毛細(xì)血管和動(dòng)脈基底膜的分布對(duì)應(yīng)于血管周圍的引流途徑，腦間質(zhì)液中的Aβ可以沿著毛細(xì)血管壁和動(dòng)脈壁的基底膜的大量流動(dòng)從大腦中清除。向表達(dá)人ApoE3或ApoE4基因的靶向替代小鼠和野生型小鼠腦內(nèi)注射Aβ40的研究結(jié)果表明，ApoE4等位基因可能通過修飾腦血管基底膜蛋白的表達(dá)，并破壞腦內(nèi)Aβ的血管周圍引流效率而促進(jìn)了Aβ在AD中的蓄積[17]。另外，Aβ還可以通過小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞分泌的蛋白水解酶如腦啡肽酶和胰島素降解酶經(jīng)歷蛋白水解降解的途徑來清除，腦啡肽酶和胰島素降解酶缺乏會(huì)導(dǎo)致體內(nèi)Aβ水平增加和淀粉樣蛋白沉積。脂化的ApoE通過增強(qiáng)腦啡肽酶和胰島素降解酶的活性，以E2>E3>E4的順序增加了ApoE缺陷小膠質(zhì)細(xì)胞的Aβ降解[18]。因此，受體介導(dǎo)的膠質(zhì)細(xì)胞攝取、血腦屏障轉(zhuǎn)運(yùn)、血管周圍引流及蛋白水解降解途徑介導(dǎo)的Aβ清除可能受ApoE4等位基因的影響。

總之，當(dāng)Aβ產(chǎn)生過多或清除效率低時(shí)，就會(huì)造成Aβ在腦中積聚，從而引起一系列的病理生理表現(xiàn)。雖然目前關(guān)于ApoE4影響Aβ的產(chǎn)生、清除的機(jī)制還有待更深入的研究，但可以明確的是，ApoE4可以通過增加Aβ的沉積引起AD的發(fā)生和發(fā)展。

2.2ApoE影響tau蛋白水平 神經(jīng)元纖維纏結(jié)(NFT)主要成分是tau蛋白，tau蛋白是一種主要在神經(jīng)元中表達(dá)的微管相關(guān)蛋白，在生理?xiàng)l件下參與微管的聚合和維持微管的穩(wěn)定性。tau蛋白的生理功能受到多種翻譯后修飾的高度調(diào)節(jié)，包括磷酸化、乙酰化、糖基化及泛素化等。這些修飾的改變會(huì)影響tau蛋白功能，并可能導(dǎo)致病理狀況，其中tau蛋白的過度磷酸化導(dǎo)致其與微管分離，從而損害了正常神經(jīng)元活動(dòng)所需的軸突穩(wěn)定性和運(yùn)輸。AD中過度磷酸化的tau蛋白通常沿神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以定型模式從一個(gè)區(qū)域傳播到另一個(gè)區(qū)域，NFT首先出現(xiàn)在內(nèi)側(cè)顳葉，隨后通過海馬區(qū)擴(kuò)散到整個(gè)大腦皮層，這表明過度磷酸化的tau蛋白的擴(kuò)散與神經(jīng)功能障礙密切相關(guān)[19]。近年來，研究結(jié)果表明，ApoE對(duì)以過度磷酸化tau蛋白聚集為特征的AD起著一定作用。與ApoE3/3神經(jīng)元相比,人誘導(dǎo)多能干細(xì)胞來源的ApoE4/4神經(jīng)元產(chǎn)生更多的ApoE片段，具有更高的磷酸化tau蛋白水平[20]。ApoE在調(diào)節(jié)tau蛋白介導(dǎo)的神經(jīng)變性中起著重要作用，其中ApoE4引起更嚴(yán)重的損害，而ApoE的缺乏則具有保護(hù)作用。在利用人類ApoE基因敲入或敲除轉(zhuǎn)基因小鼠模型的研究中發(fā)現(xiàn)，與攜帶ApoE2和ApoE3等位基因的小鼠相比，攜帶ApoE4等位基因的小鼠腦萎縮明顯更多，而ApoE的缺乏極大程度地減弱了小鼠的神經(jīng)元丟失及腦萎縮[21]。綜上所述，ApoE等位基因可能以一種異構(gòu)體依賴的方式影響tau蛋白病理和tau蛋白介導(dǎo)的神經(jīng)變性。雖然ApoE等位基因?qū)au蛋白磷酸化特異性影響已經(jīng)得到了一定程度的證明，但是ApoE亞型和這些致病蛋白之間的聯(lián)系仍需要我們進(jìn)一步研究。

2.3ApoE影響AD的其他途徑 ApoE在調(diào)節(jié)對(duì)Aβ病理和神經(jīng)變性的先天免疫反應(yīng)中具有重要作用，小膠質(zhì)細(xì)胞在腦內(nèi)的免疫反應(yīng)中起著中心作用，表現(xiàn)為AD患者死后腦組織圍繞Aβ的大量反應(yīng)性小膠質(zhì)增生[6]。在一項(xiàng)對(duì)人額葉皮質(zhì)活檢的社區(qū)老年隊(duì)列的研究中發(fā)現(xiàn)，小膠質(zhì)細(xì)胞和相關(guān)炎性細(xì)胞因子與AD病理之間的關(guān)系與是否攜帶ApoE4等位基因有關(guān)。即在不攜帶ApoE4等位基因的AD個(gè)體中，白細(xì)胞介素10(IL-10)、IL-13、IL-4、IL-1α水平的升高與tau蛋白病理水平降低相關(guān)，而攜帶ApoE4等位基因的AD個(gè)體的小膠質(zhì)細(xì)胞和tau蛋白病理水平更高，這表明在缺乏ApoE4情況下的免疫系統(tǒng)可能具有潛在的保護(hù)作用。這種免疫反應(yīng)的改變可能部分解釋了攜帶ApoE4等位基因的個(gè)體有更嚴(yán)重的Aβ和tau蛋白病理水平，支持了ApoE在人腦免疫和膠質(zhì)細(xì)胞功能中的調(diào)節(jié)作用[22]。目前，雖然關(guān)于ApoE4參與炎性反應(yīng)的具體機(jī)制尚未完全清楚，但是通過調(diào)節(jié)神經(jīng)炎性反應(yīng)可能會(huì)成為未來治療AD的一個(gè)方向。

突觸丟失是AD患者大腦皮質(zhì)萎縮的原因之一[1]。越來越多的證據(jù)表明，在AD患者的大腦中，ApoE與神經(jīng)元信號(hào)傳導(dǎo)及突觸的完整性有關(guān)。由ApoE介導(dǎo)的最具特征的神經(jīng)元信號(hào)傳導(dǎo)途徑是Reelin途徑，其通過ApoE受體2(APOER2)發(fā)揮作用。Reelin信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)在神經(jīng)元遷移、樹突棘重塑和突觸可塑性的過程中起重要作用。Reelin在突觸后與APOER2結(jié)合，導(dǎo)致N-甲基-D-天冬氨酸受體磷酸化、鈣離子內(nèi)流和長時(shí)程增強(qiáng)。與ApoE2及ApoE3相比，ApoE4由于會(huì)促進(jìn)APOER2的細(xì)胞攝取而不利于上述過程，這限制了Reelin的結(jié)合，從而導(dǎo)致了突觸可塑性的降低[23]。由于突觸丟失與AD患者認(rèn)知功能下降密切相關(guān)，深入研究ApoE4對(duì)突觸功能的影響機(jī)制可以幫助我們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)AD。

ApoE是大腦中關(guān)鍵的脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，在膽固醇的合成和輸送過程中起關(guān)鍵作用，ApoE可通過維持大腦神經(jīng)元脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)來維持機(jī)體的健康狀態(tài)。星形膠質(zhì)細(xì)胞中ApoE的脂化作用主要是由三磷酸腺苷結(jié)合盒轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白a1負(fù)責(zé)的。一項(xiàng)大規(guī)模的人群研究發(fā)現(xiàn)，人群中三磷酸腺苷結(jié)合盒轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白a1功能的喪失可導(dǎo)致血漿ApoE降低，并增加了AD、腦血管疾病和出血性卒中的風(fēng)險(xiǎn)。而在小鼠模型中，三磷酸腺苷結(jié)合盒轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白a1的過表達(dá)會(huì)增加ApoE的脂化，并增強(qiáng)淀粉樣蛋白清除率，對(duì)軸突損傷具有有益的作用。研究發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于ApoE2、ApoE3、ApoE4的脂化較差，攜帶ApoE4等位基因個(gè)體的腦脊髓液中的ApoE蛋白水平降低了約30%[24]。另外，最近的一項(xiàng)使用人誘導(dǎo)多能干細(xì)胞來源的星形膠質(zhì)細(xì)胞的研究結(jié)果表明，與ApoE3/3相比，ApoE4/4的脂化程度較低，會(huì)進(jìn)一步減弱ApoE的神經(jīng)營養(yǎng)功能[25]。由此可見，ApoE與脂質(zhì)相互作用對(duì)AD的影響可能與ApoE亞型的功能減弱有關(guān)。

ApoE介導(dǎo)的腦葡萄糖低代謝和胰島素信號(hào)傳導(dǎo)受損與AD的發(fā)病機(jī)制密切相關(guān)。大腦葡萄糖代謝紊亂被認(rèn)為通過誘導(dǎo)氧化應(yīng)激、炎癥、線粒體功能障礙、自噬損傷、興奮性毒性和凋亡來介導(dǎo)Aβ沉積和tau蛋白過度磷酸化。腦葡萄糖低代謝反映了突觸功能障礙和神經(jīng)變性的程度[26]。在使用人ApoE基因靶向替代小鼠的研究中表明，人類ApoE亞型可差異性調(diào)節(jié)大腦葡萄糖代謝，而己糖激酶表達(dá)和活性的差異可能是3種ApoE亞型對(duì)大腦葡萄糖利用的獨(dú)特影響，己糖激酶活性在表達(dá)ApoE2細(xì)胞中最高，在表達(dá)ApoE4細(xì)胞中最低[27]。臨床試驗(yàn)表明，鼻腔注射胰島素治療對(duì)AD患者的認(rèn)知功能的改善受ApoE亞型的調(diào)節(jié)，ApoE亞型差異影響腦胰島素信號(hào)傳導(dǎo)的分子和細(xì)胞機(jī)制。與ApoE3相比，ApoE4通過將胰島素受體捕獲在內(nèi)體中而損害其運(yùn)輸，從而導(dǎo)致胰島素信號(hào)傳導(dǎo)受損及抑制胰島素誘導(dǎo)的線粒體呼吸和酵解[28]。因此，進(jìn)一步研究腦內(nèi)葡萄糖低代謝及胰島素信號(hào)傳導(dǎo)受損的機(jī)制，不僅有助于了解AD的發(fā)病機(jī)制，還可以為AD的診斷和治療尋找新的靶點(diǎn)。

3 小 結(jié)

AD作為一種常見的神經(jīng)退行性疾病，患病率呈逐年增長趨勢，不僅給患者的身體及心理造成巨大傷害，也給國家和社會(huì)帶來了沉重的負(fù)擔(dān)。隨著我國老齡化人口的逐漸增加，如何預(yù)防和治療AD變得越來越重要。由于ApoE作為AD的主要遺傳危險(xiǎn)因素，在疾病發(fā)展過程的早期ApoE可能通過改變Aβ在腦中的沉積、tau蛋白磷酸化等中樞神經(jīng)系統(tǒng)病理改變AD的病理軌跡，因此ApoE可能成為AD治療的靶點(diǎn)。通過抗ApoE4免疫療法、反義寡核苷酸治療、抑制組蛋白去乙?；傅确绞浇档虯poE水平，增強(qiáng)三磷酸腺苷結(jié)合盒轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白a1介導(dǎo)的ApoE4脂化作用、利用基因編輯和基因治療、生活方式和飲食等方式調(diào)節(jié)ApoE的功能[29]，以此來促進(jìn)AD不同治療策略的發(fā)展。因此，探究ApoE與AD的聯(lián)系及其調(diào)控AD發(fā)生、發(fā)展的分子機(jī)制可以為預(yù)防、診斷及治療AD提供新的方向，這對(duì)于精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)新興時(shí)代的靶向治療非常重要。