載脂蛋白E及其受體調控阿爾茨海默病的研究進展

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，是以進行性記憶減退、認知障礙和人格改變為主要臨床表現的神經系統變性疾病[1]。細胞外β-淀粉樣蛋白(β-amyloid,Aβ)沉積和細胞內神經元纖維纏結(neurofibrillary tangles,NFTs)所導致的神經元丟失和膠質細胞活化是AD的重要病理特征[2]。流行病學調查顯示65歲以上人群的AD發病率為13%，而85歲以上AD發病率高達45%，預計到2050年全世界將有超過8000萬人遭受AD困擾[3]。AD已成為當今社會的嚴重負擔，明確AD的發病機制從而開發AD新治療策略刻不容緩。AD根據發病年齡分為早老性AD(early-onset AD,EOAD)和遲發型AD(late-onset AD,LOAD),前者通常發生在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]。后者發病在65歲之后，多為散發性，載脂蛋白E(apolipoprotein E,ApoE)的ε4等位基因與其發病關系最密切，但具體作用機制尚不明確。ApoE4通過多種不同的途徑產生神經毒性作用，從而增加AD患病風險[5]。

1 ApoE的結構和功能

ApoE是一種富含精氨酸的堿性蛋白，人ApoE是由299個氨基酸殘基組成，分子量為34145 kD。在人類基因組中，ApoE基因包含3個等位基因: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患者中出現頻率高達40%[6]。全基因組關聯分析顯示，具ApoEε4等位基因的人群罹患散發性及家族遺傳的LOAD概率顯著增加[7]。ApoE分子多態性是由于其第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種最常見的亞型僅有一個或兩個氨基酸的差異，但它們具有獨特的結構和功能，這可能解釋它們對AD患病風險的不同影響[4,8]。

ApoE是外周和中樞神經系統中分泌的脂質轉運蛋白，參與調節脂類平衡。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Aβ沉積增加相關，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聯蛋白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]。在非脂質化狀態下ApoE的N末端受體結合域內的正電荷殘基不能與LDLR結合，在脂質化后ApoE展現出與LDLR更強的結合親和力[10]。LRP1優先與重組ApoE或ApoE聚合物結合[11]，而脂質化和非脂質化ApoE都與細胞表面HSPG結合。此外LRP1可以與HSPG形成受體復合物從而介導細胞攝取ApoE，這表明ApoE受體在細胞表面具有重要的協同作用[12]。

2 ApoE及其受體與Aβ代謝

淀粉樣蛋白斑塊是AD的病理標志之一，主要由Aβ聚集的原纖維組成[8]。Aβ主要通過跨血腦屏障運輸、蛋白酶降解和神經細胞攝取降解等途徑進行清除，Aβ的產出和清除的失平衡導致毒性Aβ的堆積和聚集。毒性Aβ的異常聚集會形成可溶性Aβ多聚物，神經內源性Aβ和淀粉樣蛋白斑塊，這些毒性物質會損傷神經元突觸并引起神經元凋亡[9]。可溶性Aβ和細胞表面受體結合啟動了毒性級聯反應，從多種途徑影響神經元正常代謝，進而導致了神經退行性病變和認知功能的損傷[13]。毒性Aβ的異常聚集可能反映了AD患者腦內Aβ的過度產生、無效清除、或兩者兼有，在這一過程中ApoE及其受體起到關鍵作用。利用AD小鼠模型研究發現ApoE4顯著增加了早期的Aβ水平，但對后期的Aβ產生無顯著影響，提示ApoE4在體內調節Aβ病理發生的過程中，對早期Aβ形成的過程最為重要[14]。肝臟X受體(liver X receptor,LXR)和維甲酸X受體(retinoid X receptor,RXRs)激動劑增加ApoE水平和脂質化狀態并促進Aβ清除，改善AD小鼠的認知功能[15]。在正常生理情況下，ApoE均存在不同程度的脂質化，增加ApoE4的脂質化程度可以使Aβ42在攜帶人ApoEε4等位基因小鼠腦內的沉積量降低，進而減輕認知功能的損傷[16]。體外實驗也揭示了ApoE的基因多態性與Aβ結合具有不同的作用[17]。具體而言含有ApoE4的脂蛋白脂質化較少，致使ApoE4與Aβ形成的復合物較不穩定，最終導致ApoE4/Aβ復合物穩定性降低并且增加Aβ的聚集[18]。另一方面不同形式的Aβ與ApoE也顯示出不同的結合親和力。已有研究證實神經毒性物質主要為可溶性Aβ42和寡聚體Aβ，而攜帶ApoEε4基因的個體中，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具有不同的結合親和力，且結合速率明顯不同，導致其調節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發病機制[13]。

星形膠質細胞中LDLR缺陷會導致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的神經炎癥[19]。上調LDLR水平增強了血腦屏障介導的外源性Aβ的清除，并促進內源性Aβ從腦內排出到血液，從而促進Aβ清除[20]。最新研究也指出星形膠質細胞中LRP1的敲除會導致基質金屬蛋白酶2、基質金屬蛋白酶9、胰島素降解酶等Aβ降解酶的表達量降低，因此LRP1可通過調節這些降解酶從而影響Aβ的細胞外降解[21]。HSPG可以通過獨立和依靠LRP1受體的方式介導ApoE的細胞攝取，ApoE與Aβ競爭HSPG的結合位點，從而抑制神經細胞攝取Aβ，此作用具有明顯的濃度依賴性[22]。此外HSPG與LRP1以協同的方式介導神經元對Aβ的攝取，最初Aβ與細胞表面HSPG結合，隨后通過LRP1進行內吞作用[23]，結合HSPG的Aβ也可激活LRP1信號傳導途徑，這些都會導致細胞Aβ攝取的增強[24]。這些研究均表明ApoE可通過調控細胞外Aβ代謝參與AD病理發生，且調控的重點取決于ApoE及其受體的特異性結合。

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的另一個病理過程[2]。Tau蛋白是神經細胞中微管相關蛋白，能夠維持微管結構和功能穩定性。過度磷酸化的tau蛋白是形成NFTs的主要組成部分[25]。有研究標明ApoE4通過激活轉基因小鼠海馬中的Erk途徑來刺激tau蛋白磷酸化，并且隨著AD腦內鋅濃度的增加而增強[26]。近來研究發現自噬功能缺陷與神經退行性疾病的發生發展密切相關，細胞自噬參與過表達tau蛋白和異常磷酸化tau蛋白的降解，自噬抑制能增加tau蛋白的細胞毒性，ApoE4可能會影響自噬介導的tau蛋白清除，從而損傷神經元的正常功能[27,28]。ApoE4誘發腫瘤壞死因子-α分泌產生的神經炎癥反應，加劇tau蛋白異常磷酸化導致的神經元凋亡。此外ApoE4強烈激活小膠質細胞，使其可能通過直接刺激受損的神經元和激活有毒的炎癥反應性星形膠質細胞而誘導神經炎癥反應，進而加劇神經退行性病變[28]。

膽固醇代謝缺陷與tau蛋白異常磷酸化相關，ApoE通過LRP1受體促進神經膠質細胞膽固醇的釋放和神經元內膽固醇的攝取，從而導致tau蛋白異常磷酸化，造成NFTs的早期形成和NFTs的負荷增加[29]。LRP1也許可以通過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胞內轉運的膽固醇傳感器在膽固醇代謝中發揮作用，進而影響tau蛋白異常磷酸化。ApoE不同亞型差異性調節ApoE受體介導的信號級聯反應，進一步改變tau蛋白激酶和磷酸酶的功能，從而導致tau蛋白異常磷酸化[5]。

4 靶向ApoE的AD治療

ApoEε4基因型將多個生物過程轉變為發展AD的易感條件，雖然ApoE4和神經退行性疾病相關聯的主要機制仍有待澄清，但極有可能通過ApoE調節這些生物學過程。因此調節ApoE基因和ApoE特性是藥物開發和治療AD的重要方向[30]。

核受體過氧化物酶體增殖物激活受體(peroxisome proliferator activated receptor γ,PPARγ)，LXR和RXRs均會對ApoE的表達起到正性調節的作用[31]。研究顯示貝沙羅汀能夠通過刺激RXRs來增加腦部ApoE的表達量,進而促使Aβ清除[32]。LXR激動劑GW3965可提高ApoE水平，從而有效促進Aβ42的清除，并可逆轉記憶缺陷[33]。為了進一步減少AD病理發生可以聯合應用ω-3脂肪酸二十二碳六烯酸和貝沙羅丁，通過激活LXR-RXRs信號途徑來幫助改善認知障礙[34]。此外PPARγ激動劑吡格列酮可增加ApoE的表達，同時又可以降低Aβ水平，并且改善淀粉樣蛋白斑塊模型小鼠的認知功能，與GW3965共同處理后可以觀察到協同作用[35]。這些途徑一起參與調節腦內ApoE水平，將成為AD藥物治療的靶點。ApoE的內吞作用主要由LDLR和LRP1受體介導，ApoE通過產生ApoE/Aβ復合物或競爭性抑制受體與Aβ的結合從而通過這些受體促進Aβ的細胞攝取[30]。因此增加LRP1和LDLR可以作為AD中激活Aβ清除途徑的治療方法。包括利福平、咖啡因和氟伐他汀在內的幾種化合物可能通過增加LRP1水平而對AD有保護作用[36]。

ApoE蛋白的生物活性形式與脂質相關，ApoE的脂化狀態顯著影響其功能[9]。研究發現膽固醇?；D移酶1(cholesterol acyltransferase 1,ACAT1)酶活性的降低導致淀粉樣蛋白斑塊小鼠模型中Aβ沉積的減少以及認知功能的改善[37]，因此ACAT缺失可能影響ApoE脂化狀態。ACAT1抑制劑可能以ApoE脂化的上游為靶點而成為抗AD藥物，ACAT1抑制劑K604可以通過小膠質細胞中的自噬介導的溶酶體蛋白水解來促進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構上區分ApoE4和ApoE3的另一特征。這種域-域相互作用可能在ApoE4中產生異常構象，導致神經毒性[39]。已報道幾種小分子化合物(GIND25和PH002)通過阻斷神經元中的域-域相互作用來逆轉ApoE4的有害作用。因此修飾ApoE4的病理結構，如結構域相互作用，可能是AD的潛在治療方法[40]。此外通過基因編輯技術,使用CRISPR/Cas9系統將ApoE4轉換為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最主要的致病危險因素，但其對Aβ、tau蛋白的影響還有待進一步探討,有必要開展多學科、多層次綜合研究。以ApoE及其受體作為靶點進行深入研究，將對AD的臨床治療具有重大意義。

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