载脂蛋白E与阿尔茨海默病的相关性研究进展

季烨龙，邱 珍，冷 燕，吴 洋，夏中元

(武汉大学人民医院麻醉科，武汉 430060)

老年痴呆症是21世纪最大的医疗威胁之一，并且已经投入了大量的人力、物力去解决，但至今仍无有效的解决方案。而在脑功能紊乱导致认知能力下降的疾病中，阿尔茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)是最普遍的。全世界AD患者超过3 000 万人，且大约有13%的患者年龄超过65岁，45%的患者年龄超过85岁[1- 2]。从目前研究来看，该病的致病因素和假说30余种，如家族史、女性、头部外伤、低教育水平、甲状腺疾病、母育龄过高或过低、病毒感染等。近年来研究显示,载脂蛋白E(apolipoprotein E，ApoE)在AD的发生、发展中起重要作用[3- 5]。在AD患者中超过60%的人至少携带有一个ApoE的等位基因ε4，并且携带ApoE- ε4纯合子的患者平均年龄为68岁，携带ε4杂合子的患者平均年龄为76岁，而未携带ε4的患者则为84岁，并且有65%～85%的AD患者携带有ApoE的同型体E4[6- 8]。因此，通过对ApoE的特征、功能及其与AD关系的进一步研究,有助于深化对AD机制的认识,为AD预防和治疗提供新的视角。现就ApoE与AD的相关性研究进展予以综述。

1 ApoE的生物学属性

1.1ApoE的结构和特征 ApoE最初于20世纪70年代被发现，并认为是一种富含三酰甘油的脂蛋白，但在1982年才被命名为ApoE[9- 10]。ApoE是一种由299个氨基酸构成且分子量约为34 200的糖蛋白，并在20世纪70年代中期由Utermann等通过等电聚焦检测发现了ApoE的3种同种型：ApoE2、ApoE3、ApoE4[11]。ApoE含有与低密度脂蛋白受体结合的结构域——N端结构域和与脂质结合的α- 螺旋结构域——C端结构域[12]。ApoE4独具结构域的相互作用——C端和N端结构域之间的相互作用，并且在ApoE4中位于N端结构域的侧链精氨酸- 61会与位于C端结构域谷氨酸形成盐桥，但由于不会出现域的相互作用，在ApoE2和ApoE3中不会出现盐桥。ApoE基因位于人类第19号染色体的长臂上，它含有3 600个碱基和3个内含子及4个外显子并编码3个等位基因(分别为ε2、ε3和ε4)[13]，其中ε2占ApoE基因库的10%～15%,ε3占70%～80%，ε4占5%～10%，并在人群中产生3个纯合子(ApoE- ε2/2，ε3/3和ε4/4)和3个杂合子(ApoE- ε3/2，ε4/3和ε4/2)基因型[8]。

在外周组织中，ApoE主要由肝脏和巨噬细胞产生并以同种型依赖性方式介导胆固醇代谢，其中肝脏产生的ApoE占全部的75%，在血脂正常的人体内，ApoE的血浆浓度为0.4～0.8 mg/L。在中枢神经系统中，ApoE主要由大脑中的星形胶质细胞产生，也可以由少突胶质细胞、小胶质细胞和神经元产生[7,12]。

1.2ApoE的功能

1.2.1ApoE调节脂质运输 ApoE的脂质代谢作用是将脂质从一种组织或细胞类型转运到另一种组织或细胞类型。ApoE可以与脂蛋白结合并将它们输送到肝外细胞或肝脏中来指导内源性三酰甘油和胆固醇以及膳食三酰甘油和胆固醇的代谢[11]。

ApoE主要通过两个受体途径完成脂质转运和递送功能：第一种是通过肝和肝外细胞上高度可调节的低密度脂蛋白受体途径；第二种受体途径是硫酸乙酰肝素蛋白聚糖/低密度脂蛋白受体相关蛋白途径[11]。ApoE也可以不通过配体的方式影响脂蛋白的代谢。此外，ApoE还可以直接影响血浆三酰甘油和极低密度脂蛋白水平[11]。

1.2.2ApoE对脑功能的影响 由于ApoE的基因和蛋白具有多态性，对脑功能的影响也是多样的。ApoE4可对脑功能产生不利影响。ApoE4可影响认知并增加脑血管风险。Krell- Roesch等[14]试验表明认知功能正常的老年(>70岁)ApoE- ε4携带者主观认知障碍的发生率更高，且Bender和Raz[15]的研究表明，ApoE- ε4等位基因携带者的前额体积较小，而较小的前额体积与高龄和血管风险相关。Schilling等[16]发现ApoE- ε4+(主要是ApoE- ε4/4)基因型与增加的白质高信号负荷和脑微出血相关，而白质高信号和脑微出血均为脑血管病的磁共振成像标志物。ApoE4也会影响脑的功能性连接。Zerbi等[17]研究显示，与ApoE敲除(ApoE- KO)的小鼠相比，ApoE靶向取代(ApoE- TR)的小鼠脑功能性连接缺陷伴随着海马中平均扩散率的增加而发生，同时突触后密度水平也随之降低,而灌注缺陷仅在生命晚期出现，原因可能是血管危险因素和ApoE作为大脑突触调节剂所导致的。此外，ApoE4可使脑的脑转运系数降低、脑血管化减少并产生更薄的基膜，使脑血管萎缩，损害血脑屏障[18]。而ApoE2、ApoE3对于脑的功能具有保护作用，尤其是对于血脑屏障的保护。ApoE2、ApoE3通过控制周细胞中的亲环素A表达，有效地维持脑微血管中的生理亲环素A水平，从而抑制周细胞中的亲环素A- 核因子κB- 基质金属蛋白酶9途径，维持正常神经元功能所必需的脑血管完整性[19]。此外，近年来的研究还发现ApoE基因型会影响脑血管的储备，实验显示CO2吸入激发的脑血管反应性从ε2、ε3到ε4依次减少，而这个反应性是脑血管储备的标志物并反映了脑对高碳酸血症的调节能力，但ApoE对这种反应性的调节机制尚不清楚[20]。

1.2.3ApoE的其他作用 ApoE具有抗炎作用且抗炎作用强度从ApoE4、ApoE3到ApoE2依次增加[21]。另外，ApoE不同基因型对于骨的影响也不同，ApoE3与骨形成相关，而ApoE2和ApoE4与骨吸收相关[22]。同时ApoE可以通过调节循环中的三酰甘油水平调节Ⅱ型肺泡上皮细胞进而产生肺泡表面活性物质，降低表面张力，并可以在炎性呼吸系统疾病中发挥保护作用[23]。

2 ApoE与AD的联系

AD是最普遍的神经退行性疾病，会导致记忆丧失和认知功能的进行性和永久性恶化，也是痴呆的主要病因,并占痴呆患者总数的60%～80%[24]。AD最常见的初始症状是记忆新信息的能力逐渐恶化，随着疾病的进展，认知功能也随之下降[1]。而在病理学上，AD的两个经典组织病理学标志是体外不溶的β淀粉样蛋白(amyloid β protein，Aβ)积累导致的斑块形成和体内微管相关的tau蛋白积累导致的神经元纤维缠结[25]。Aβ是由Aβ前体蛋白的连续切割产生的，随着Aβ水平升高，会形成可溶性Aβ寡聚体并最终产生不溶性Aβ斑块，进而引起神经元和突触损伤[26]；而tau蛋白是神经元微管的生理稳定剂，有助于稳定轴突和整体神经元功能，在AD中tau蛋白变得过度磷酸化并且失去对微管的调节能力，最终形成神经原纤维缠结[25]。研究发现，tau蛋白还能在Aβ的启动中发挥促进作用[27]。

ApoE4是AD最重要的遗传风险因素，ApoE3是中性的，ApoE2是保护性的，而ApoE可以通过影响Aβ的沉积、tau蛋白水平、脑磷脂稳态过程中的功能失调、影响海马的体积、改变突触传递、影响甲基化程度、ApoE- TREM2相互作用影响AD进展。

2.1ApoE影响Aβ的沉积 Aβ的沉积作为AD的特征性表现与ApoE相关。Huang等[28]的试验使用源自人胚胎干细胞的神经元细胞，结果显示由神经胶质细胞分泌的ApoE以ApoE4>ApoE3>ApoE2效力等级刺激神经元产生Aβ；ApoE与ApoE受体的结合会激活双亮氨酸- 拉链激酶，然后激活促分裂原活化的蛋白激酶激酶7和胞外信号调节激酶，激活的胞外信号调节激酶会诱导cFos磷酸化，然后刺激转录因子活化蛋白1，其反过来又能增强Aβ前体蛋白的转录，从而增加Aβ水平。同时Verghese等[29]的试验结果证实脂质相关的ApoE与溶液中合成或细胞来源的可溶性Aβ相互作用可忽略不计或极差，并显示生理溶液(即脑脊液)中的大多数ApoE与Aβ无关，表明ApoE不是可溶性Aβ清除所必需的，并且ApoE同种型通过竞争相同的Aβ清除路径或对Aβ清除路径的其他作用抑制可溶性Aβ的摄取，提出ApoE影响Aβ清除的能力可能不是直接通过结合溶液中的可溶性Aβ而是通过ApoE与低密度脂蛋白受体相关蛋白1和其他受体的作用介导的。而Mulder等[30]对啮齿动物ApoE- KO星形胶质细胞试验表明ApoE的Aβ摄取减少作用不依赖于同种型，提出ApoE在弥漫性和致密淀粉样斑块附近的局部表达增多可能导致星形胶质细胞和小胶质细胞的Aβ清除率降低。但Yajima等[31]的试验显示细胞摄取Aβ存在ApoE同种型依赖性差异，当与培养基中分泌ApoE4的供体细胞共培养时，受体细胞摄取细胞外Aβ的能力最为突出，其次是ApoE3和ApoE2。另外，有学者认为ApoE对清除Aβ的影响与各种脂蛋白受体密切相关，这些受体通过代谢清除或穿过血脑屏障有助于脑Aβ的清除，并观察到人脑内皮细胞中Aβ暴露后低密度脂蛋白受体和低密度脂蛋白受体相关蛋白1的脱落增加，且Aβ与ApoE同种型共同处理时，ApoE2和ApoE3的Aβ诱导的受体脱落减少，而在ApoE4受体脱落仍升高[32]。近年来发现脑中的Aβ大部分是沿着脑动脉壁内的基膜而被消除的，其代表性的是脑的淋巴引流通路，通过此通路Aβ迅速从大脑动脉壁基膜中排出，在此期间由于Aβ/ApoE4复合物与基膜的附着缺陷，ApoE4个体的Aβ血管周围引流效率降低，导致无法清除或降低脑中积累的Aβ[33]。

2.2ApoE影响tau蛋白水平 tau蛋白同样在AD中特征性存在，而ApoE可影响tau蛋白水平。Martínez- Morillo等[34]的试验发现脑脊液总的ApoE水平与脑脊液 Aβ、总的tau蛋白和磷酸化的tau蛋白呈正相关。此外，脑脊液中ApoE3和ApoE4水平与脑脊液中总的tau蛋白和磷酸化的tau蛋白水平呈正相关。Toledo等[35]的试验同样显示脑脊液ApoE水平与脑脊液总tau蛋白水平呈正相关，并推测脑脊液ApoE2或ApoE3通过减少tau蛋白和淀粉样蛋白沉积所致的神经元损伤而具有神经保护作用。在Shi等[36]的实验中，通过在将人类ApoE敲入或敲出的背景上产生P301S tau转基因小鼠，显示P301S/E4的小鼠脑中具有极高的tau蛋白水平并且在3个月时具有更大程度的体细胞tau蛋白重新分布。与P301S/E2和P301S/E3小鼠相比，P301S/E4小鼠更易出现脑萎缩和神经炎症，相反P301S/EKO小鼠的神经功能良好；与E2、E3相比，表达E4的P301S tau的神经元表现出更高水平的肿瘤坏死因子- α并显著降低神经元活力，而与EKO共培养的神经细胞则表现出高水平的分泌型肿瘤坏死因子- α的活力。近年来研究显示，将携带有E4等位基因的多能干细胞通过聚类规则间隔短回文重复序列/聚类规则间隔短回文重复序列相关蛋白9基因编辑系统校正为E3/E3基因型，并培养分化为前脑兴奋性神经元，对比发现，E4细胞会通过硫酸肝素蛋白多糖依赖性机制以异构体依赖性方式增加磷酸化tau蛋白的释放[37]。此外，微管相关蛋白tau基因(microtubule- associated protein tau gene，MAPT)因编码tau蛋白的微管稳定性和信号转导从而被充分证明与AD中tau病变有关，而Shen等[38]通过tau正电子发射断层扫描的配体发现MAPT的变异体rs242557可以通过干扰MAPT表达从而影响tau的累积，也发现ApoE- ε4+与MAPT的变异体rs242557关系密切，提示ApoE- ε4+可能通过影响rs242557导致tau增加。

2.3ApoE通过其他途径影响AD 有学者认为ApoE 影响AD的可能的机制是ApoE在脑磷脂稳态过程中的功能失调：与ApoE3对比，ApoE4携带者大脑中的磷酸肌醇二磷酸水平降低，原因是ApoE3等位基因通过促进磷酸肌醇二磷酸降解酶(磷酸肌醇磷酸酶1)mRNA的降解下调磷酸肌醇磷酸酶1在脑和神经中的表达，而ApoE4等位基因对磷酸肌醇磷酸酶1没有影响，表明ApoE4等位基因降解磷酸肌醇磷酸酶1的功能丧失[39]。此外还有一个研究补充说明ApoE3等位基因下调磷酸肌醇磷酸酶1的表达从而降低了磷酸化的tau水平并抑制tau的糖原合成酶激酶- 3β磷酸化，而ApoE4不具备此功能从而导致AD的进展[40]。Saeed等[41]使用神经学评估发现ApoE4可能通过影响海马的体积影响记忆和学习能力从而改变AD的进展。另一个可能的机制是ApoE通过改变突触传递进而影响AD。Sweet等[42]的实验发现,在AD的早期至中期病理阶段，内嗅皮质中的突触蛋白质组显著减少，且在ApoE4靶向替代小鼠中也发现许多谷氨酸信号转导和突触蛋白下调。Chhibber和Zhao[43]的实验中同样显示了ApoE4携带者脑中突触前和突触后蛋白被下调。

Sun等[44]观察到在轻度认知障碍的人群中，ApoE4携带者的脑脊液中神经颗粒素显著增高，脑脊液中神经颗粒素的高水平反映了早期认知障碍中的突触损伤，表明ApoE- ε4还可能通过损伤突触增加AD风险。另外Yu等[45]的实验显示ApoE的ε2/ε3/ε4等位基因改变了ApoE的3′编码区的CpG岛中CpG含量和甲基化程度，改变了蛋白质结合，从而对AD产生不同的影响。Foraker等[46]的实验发现AD患者脑组织中DNA甲基化的组织特异性降低(尤其是额叶和海马)，且小脑内的甲基化没有差异(已知小脑的甲基化程度与AD相关的变化最小)，结果显示ApoE可能通过甲基化影响AD进展。ApoE是在骨髓细胞上表达的触发受体2(triggering receptor expressed on myeloid cells 2,TREM2)的新配体，ApoE与TREM2的高亲和力结合，此外一些数据也表明ApoE- TREM2相互作用在调节凋亡神经元的清除中起关键作用，并且这两种蛋白质的基因与AD的风险密切相关[47]。同时Krasemann等[48]实验显示ApoE可导致神经退行性改变并损害小胶质细胞的耐受性，而激发TREM2上的受体会诱导ApoE信号转导，并且通过靶向ApoE- TREM2途径可恢复AD小鼠模型中小胶质细胞的稳态特征。表明ApoE也可能通过ApoE- TREM2相互作用影响AD的进展。此外，在新近研究中，间隙连接点1蛋白(gap junction alpha 1,GJA1)的免疫反应性在AD脑中淀粉样斑块周围的星形胶质细胞中增多，GJA1缺乏可以减少营养不良的神经突数量并减轻线粒体氧化应激和认知障碍，而缺乏GJA1星形胶质细胞也表现出ApoE蛋白水平降低，提示ApoE可能通过影响GJA1进而导致AD的发生、发展[49]。

3 小 结

ApoE作为一种重要的载脂蛋白，不仅在脂质的运输上起重要作用，在脑、骨、免疫、呼吸等方面也发挥调节作用。现如今我国进入老龄化社会，而AD作为主要的神经退行性病变，不仅对患者的身体和心理造成巨大伤害，也同样给国家和社会带来了巨大的负担。同时ApoE也是AD最重要的遗传危险因素，所以探究其对AD的影响具有重要意义。目前发现ApoE可以增加Aβ的沉积、提高tau蛋白的水平并通过促使脑磷脂稳态过程中的功能失调、改变突触传递、与ApoE- TREM2相互作用影响海马的体积和甲基化程度加速AD的进展，但ApoE对AD的作用机制仍存在争议，对于ApoE与AD的联系及ApoE调控AD发生、发展的分子机制也仍需进一步研究，并且这将对AD的治疗与诊断起关键性作用,并可为AD预防甚至治疗提供新的方向和有效靶点。