阿爾茨海默病（AD）是一種多見于老年人的神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病。正如影視作品中所描述的這樣，隨著疾病的進(jìn)展，患者逐漸忘記周圍的人，忘記自己引以為傲的過去，失去豐沛的感情，最終喪失生活能力。
而有這樣一類人群：APOE4基因的攜帶者，他們患AD的風(fēng)險(xiǎn)更高，發(fā)病也更早 [1]。
長期以來，人們對APOE4基因做了大量研究，嘗試揭開APOE4推動AD發(fā)生發(fā)展的秘密。但既往研究大都局限于某一種細(xì)胞或者某一條通路，讓我們無法對APOE4與AD病理進(jìn)程的關(guān)系建立完整的概念。
近期，來自美國加利福尼亞大學(xué)的黃亞東教授團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)研究，通過記錄小鼠大腦內(nèi)單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組學(xué)變化，發(fā)現(xiàn)敲除神經(jīng)元內(nèi)APOE4基因可改善Tau蛋白介導(dǎo)的膠質(zhì)細(xì)胞激活，神經(jīng)系統(tǒng)脫髓鞘改變和神經(jīng)元死亡等一系列病理損傷[2]。研究成果發(fā)表在《自然·衰老》上。
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APOE有三種等位基因，其中APOE4可以大大提高患AD的風(fēng)險(xiǎn)，而APOE2正相反，可以降低AD的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)。APOE3被稱為野生型，對AD風(fēng)險(xiǎn)增加或減少無明顯作用[3]。
為了研究APOE4的作用，研究者們將表達(dá)loxP序列的人APOE3和APOE4基因的小鼠，與神經(jīng)元特異性啟動子Syn1-Cre小鼠雜交，得到了可以在神經(jīng)元內(nèi)特異性敲除APOE基因的小鼠。
在此基礎(chǔ)上，研究者們將上述模型鼠與Tau蛋白病理模型鼠PS19雜交，得到了四種轉(zhuǎn)基因小鼠模型：PS19-fE3，PS19-fE3/Syn1-Cre，PS19-fE4，PS19-fE4/Syn1-Cre。這樣就可以在神經(jīng)元內(nèi)存在或不存在APOE基因的情況下觀察Tau蛋白病理變化。
接下來，研究者們在小鼠10月齡時(shí)對海馬中Tau蛋白病理進(jìn)行了檢測，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，表達(dá)APOE4的小鼠海馬區(qū)域有大量的磷酸化Tau蛋白和神經(jīng)元纖維纏結(jié)。在神經(jīng)元內(nèi)特異性敲除APOE4后，磷酸化Tau蛋白的水平下降了81%，含有纖維纏結(jié)的神經(jīng)元數(shù)量也明顯降低了（P=0.0103）。
通過在小鼠右側(cè)海馬注射表達(dá)P301S突變Tau蛋白的慢病毒載體，研究者們觀察到表達(dá)APOE4的小鼠左側(cè)海馬Tau蛋白病理陽性的神經(jīng)元數(shù)量增加，在神經(jīng)元內(nèi)敲除APOE4后有明顯改善（P<0.0001）。說明APOE4在Tau蛋白異常磷酸化，Tau蛋白聚集，和Tau蛋白在神經(jīng)元間傳播過程中全部發(fā)揮了作用。
圖a，b: PS19-fE4小鼠中磷酸化Tau和神經(jīng)纖維纏結(jié)較PS19-fE3小鼠明顯增加，在神經(jīng)元中敲除APOE4后下降。圖c，d：在右側(cè)海馬注射P301S Tau表達(dá)載體后，fE4小鼠左側(cè)海馬人源性Tau蛋白和磷酸化Tau蛋白均高于敲除組。圖e.f：APOE4存在時(shí)海馬中不可溶性磷酸化Tau蛋白增加。
Tau蛋白病理與AD的進(jìn)展密切相關(guān)，那么，如果在神經(jīng)元內(nèi)特異性敲除APOE4是否能改變這一進(jìn)程呢？
研究者們對此一一進(jìn)行了解答。首先，研究發(fā)現(xiàn)PS19-fE4小鼠海馬區(qū)發(fā)生了神經(jīng)退行性改變,這一組小鼠的海馬體積顯著縮小，海馬CA1區(qū)和齒狀回的厚度明顯變薄，神經(jīng)元凋亡標(biāo)志物Caspase-3剪切體表達(dá)明顯升高（P<0.0001），這說明神經(jīng)元出現(xiàn)了嚴(yán)重的死亡情況。
而PS19-fE3，PS19-fE3/Syn1-Cre和PS19-fE4/Syn1-Cre三組小鼠均未出現(xiàn)明顯的神經(jīng)元死亡情況，說明上述神經(jīng)退行性改變是由于APOE4存在引起的。
圖a，b: PS19-fE4小鼠海馬體積減小，齒狀回厚度降低，敲除神經(jīng)元APOE4后恢復(fù)。圖c，d：PS19-fE4小鼠海馬出現(xiàn)神經(jīng)脫髓鞘改變和神經(jīng)元過度興奮，敲除神經(jīng)元APOE4后恢復(fù)。
在髓鞘損傷的檢測中也有類似的發(fā)現(xiàn)。
研究人員檢測了PS19-fE4小鼠海馬區(qū)髓鞘損傷情況和髓鞘修復(fù)情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)APOE4存在的情況下小鼠髓鞘受損嚴(yán)重。在海馬區(qū)特異性敲除APOE4后，髓鞘受損情況和損傷修復(fù)情況均恢復(fù)到了與PS19-fE3小鼠相似的水平。
除此之外，研究者們還發(fā)現(xiàn)與PS19-fE3小鼠相比，PS19-fE4小鼠CA1-CA3環(huán)路過度興奮，小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞明顯激活。APOE4敲除后這兩種現(xiàn)象都得到了緩解。
由此可見，神經(jīng)元內(nèi)APOE4的敲除減緩了Tau蛋白病理狀態(tài)下的神經(jīng)元死亡、神經(jīng)系統(tǒng)脫髓鞘改變和神經(jīng)元功能的改變。
通過上述結(jié)果，我們不難發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)元內(nèi)APOE4的存在不僅影響了神經(jīng)元本身，還影響了膠質(zhì)細(xì)胞。那么在整個(gè)海馬區(qū)域，是不是所有細(xì)胞都受到了這種影響，共同推動了神經(jīng)退行性改變的進(jìn)展呢？
接下來的實(shí)驗(yàn)中，研究者們對PS19-fE3，PS19-fE4，PS19-fE4/Syn1-Cre三組小鼠海馬區(qū)的細(xì)胞進(jìn)行了單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組分析，根據(jù)不同的細(xì)胞標(biāo)記基因表達(dá)水平變化，將整個(gè)海馬區(qū)的細(xì)胞分成了34個(gè)類群。
根據(jù)每群細(xì)胞在三組小鼠中數(shù)量占比的不同，研究者們將在PS19-fE4小鼠中顯著增加的細(xì)胞群定義為神經(jīng)元APOE4介導(dǎo)的疾病相關(guān)(nE4-DA)細(xì)胞群。
圖a: 單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組分析將海馬細(xì)胞分為34個(gè)亞群。圖b: 三組小鼠中不同亞群細(xì)胞中APOE表達(dá)情況。圖c：疾病相關(guān)神經(jīng)元中高表達(dá)和低表達(dá)的基因。圖d：PS19-fE4/Syn1-Cre小鼠與PS19-fE4小鼠相比疾病相關(guān)神經(jīng)元中基因表達(dá)的變化情況。
在對這些特殊細(xì)胞群進(jìn)行基因表達(dá)分析時(shí)，研究人員有了令人興奮的發(fā)現(xiàn)。
不論什么種類的細(xì)胞中，nE4-DA細(xì)胞群均高表達(dá)Hspa8，Hsp90aa1，Hsp90ab1，Calm1，Calm2，Nrgn和Ubb這幾種基因。
不僅如此，通過對PS19-fE4/Syn1-Cre小鼠的nE4-DA細(xì)胞群進(jìn)行分析，研究者們發(fā)現(xiàn)清除神經(jīng)元中的APOE4基因后，上述基因表達(dá)量降低了。這說明APOE4的清除不僅改變了nE4-DA細(xì)胞群的數(shù)量，還改變了nE4-DA細(xì)胞群的基因表達(dá)。這些在APOE4存在情況下高表達(dá)的基因，可能就是解開APOE4致病機(jī)制之謎的關(guān)鍵。
總的來說，本研究重點(diǎn)關(guān)注了神經(jīng)元中APOE4對Tau蛋白病理的推動作用，發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元中特異性敲除APOE4可以使海馬中的病理性Tau蛋白含量下降81%。盡管神經(jīng)元中的APOE4如何介導(dǎo)其它細(xì)胞的病理變化還有待探索，但本文已經(jīng)為我們提供了很有利的證據(jù)。如果能夠找到安全穩(wěn)定的方法特異性敲除神經(jīng)元中的APOE4基因，也許能夠降低這類人群的患病風(fēng)險(xiǎn)。
參考文獻(xiàn)：
[1] Corder EH, Saunders AM, Strittmatter WJ, et al. Gene dose of apolipoprotein E type 4 allele and the risk of Alzheimer's disease in late onset families. Science. 1993;261(5123):921-923. doi:10.1126/science.8346443
[2] Koutsodendris, N., Blumenfeld, J., Agrawal, A. et al. Neuronal APOE4 removal protects against tau-mediated gliosis, neurodegeneration and myelin deficits. Nat Aging (2023). https://doi.org/10.1038/s43587-023-00368-3
[3] Shi Y, Yamada K, Liddelow SA, et al. ApoE4 markedly exacerbates tau-mediated neurodegeneration in a mouse model of tauopathy. Nature. 2017;549(7673):523-527. doi:10.1038/nature24016
