老年痴呆元凶——APOE三兄弟（三）
APOE4对阿尔茨海默症发病机理的影响
（非Aβ假说层面）
在Aβ之外，也有研究发现携带纯合APOE4的人要比杂合子人群大脑中含有更多的tau聚集，在小鼠神经元中特异性过表达APOE4会提高tau的磷酸化水平。通过将tau突变小鼠（P301S）与不同人源化APOE小鼠进行杂交，在得到的三种APOE-tau小鼠中，发现在动物饲养到9月龄时，APOE4-tau小鼠表现出明显的大脑萎缩和神经炎症。
在突触可塑性方面，APOE4也会减少树突密度，并通过减少突触谷氨酸受体影响突触可塑性。尸检中也发现一系列突触标志物（如PSD95，Synaptophysin，Syntaxin1等）都在APOE4携带者中明显下降。动物方面，人源化APOE4小鼠比起APOE3小鼠及未经人源化的野生型小鼠而言，突触标志物蛋白表达、树突棘的密度和长度，突触传递效率都下降显著。
体外培养的人类神经干细胞中，三种APOE的酯化能力（结合脂类物质的量）由大到小依次为APOE2，APOE3，APOE4。胆固醇从细胞内向脑脊液中运输的能力也是APOE4最低。这种不同APOE载脂能力的差异在人源化APOE的小鼠中也得到了证实。
人们发现在AD发病前的很多年，这些人大脑中的糖代谢能力就已经开始减弱。胰岛素、胰岛素受体、胰岛素信号通路也在AD病患中受到损伤并影响到其认知能力。大量研究已经发现APOE4携带者，会增加患糖尿病和胰岛素抵抗等AD风险。上述这些临床结果与人源化APOE4小鼠中进行的实验结果一致，并且更进一步发现了这种对糖代谢的影响是通过下调PPARγ的表达及其信号通路实现的。在高脂食物饲养的情况下，APOE4小鼠比APOE3的糖分吸收能力低，同时也产生了胰岛素抵抗以及认知功能的损伤。小鼠在年轻时（3月龄）吃高脂食物并不会因为APOE的不同而影响胰岛素信号通路，但在22月龄时APOE基因型的不同就会造成糖代谢功能的明显差异。
此外APOE也在炎症反应、神经损伤修复、α-Synuclein（PD致病蛋白）调节等多方面对AD产生影响。
一系列的研究表明，与分布最为广泛的APOE3相比，APOE4等位基因会通过各种手段增加患上AD的风险，不论是在临床相关性的观察，还是在动物或者细胞实验中的因果关系验证上都为我们以APOE4作为靶点对抗AD打下了坚实的基础。
图7. APOE4影响AD发病的可能途径[6]
未来APOE模式动物的应用
APOE调节胆固醇运输和脂类代谢，Apoe敲除小鼠也是研究这类相关疾病的理想实验动物，在Apoe敲除小鼠中会有自发的动脉粥样硬化症状产生。如果我们把APOE3的功能作为基准，除了前文叙述过的不同APOE间的区别外：
● APOE2和APOE4与血浆甘油三酯的结合能力都要高于APOE3；
● 与血浆胆固醇的结合能力则是按APOE2，APOE3，APOE4的顺序逐渐递增；
● 蛋白稳定性按APOE2，APOE3，APOE4的顺序依次降低；
● APOE2与LDLR的亲和力远低于APOE3和APOE4；脂类结合能力上APOE4最强，同时其也是与VLDL亲和力最高的APOE蛋白，另外两种倾向于结合HDL。
在疾病方面，仍然将APOE3作为野生型看待，那么APOE2和APOE4都有3型高胆固醇血症的可能；不同的是，APOE2更有可能诱发外周血管疾病和动脉粥样硬化心血管疾病，而APOE4则更容易诱发心血管疾病和阿尔茨海默症（图8）。
当然，APOE的本职工作其实就是在中枢或者外周负责胆固醇以及其他脂类的调度运输。目前总体而言，APOE在外周的功能其实研究得比中枢更加深入。不同的APOE虽然至多只有两个氨基酸的差异，但是这种差异却造成了结构上的改变，以至于不同APOE与其受体的结合能力产生了很大的差异，进而影响不同人群中和脂类相关的生理和病理过程。举例说来，APOE2与LDLR受体的结合能力不到APOE3和APOE4与LDLR结合能力的1/50。因此，在外周，APOE2会造成富含甘油酸三酯的脂蛋白残余聚集成颗粒，进而引起三型高脂蛋白血症。另一个例子就是关于APOE4的了，APOE4更容易与VLDL形成颗粒，妨碍脂肪在外周组织中的分解，从而产生动脉粥样硬化的潜在危险。
图8. 三种APOE蛋白的主要差异总结[7]
小鼠本身只有一种APOE，而人类中的APOE则有三种主要形式。要透彻研究APOE的功能，就需要将人类的三种APOE在小鼠中表达。在以前的很多研究中，通常是构建APOE过表达的转基因小鼠进行实验。把这些小鼠和传统的AD基因编辑小鼠杂交后的确也能产生反映APOE多态性与AD关联的表型，但过表达并非理想的基因编辑方式，一方面是因为过表达量使蛋白丰度有违生理状态，另一方面则是目的基因的随机插入有可能破坏原有基因功能，对目的表型产生干扰。因此，在不改变小鼠原有APOE启动子的情况下，将人的APOE蛋白（hAPOEs）替换原有的小鼠APOE进行的研究会更有意义，也更易将实验结果向临床转化。而且从结果上来看，hAPOE4小鼠也产生了认知障碍和神经突触的损伤。并且在与引入了hAPP突变的小鼠杂交后，hAPOE4-hAPP小鼠也能产生淀粉样沉淀，并且hAPOE4-hAPP小鼠产生的Aβ沉淀的量要高于hAPOE3-hAPP小鼠。
图9. APOE敲除及人源化小鼠主要应用领域
关于APOE多态性与疾病的很多研究都是在临床上先观察现象，统计规律，提出假说，然后再利用人源化的APOE小鼠进行实验，对因果关系进行验证。利用APOE小鼠，我们可以对脂类代谢、神经系统及免疫系统中APOE作用的机理进行研究，也可以与很多疾病固有的模型小鼠进行杂交，寻找APOE与疾病固有的信号通路之间有着怎样的相互作用关系。因此，在对疾病病理的探索和相应靶点的发现上，APOE基因编辑小鼠都将成为研究者们手中不可或缺的利器。
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参考文献及引用图片来源：
1. https://qbi.uq.edu.au/brain/dementia/types-dementia
2. https://www.urgentteam.com/news/determining-alzheimers-symptoms
3. https://www.ted.com/talks/samuel_cohen_alzheimer_s_is_not_normal_aging_and_we_can_cure_it
4. Patterson C , Feightner J W , Garcia A , et al. Diagnosis and treatment of dementia: 1. Risk assessment and primary prevention of Alzheimer disease[J]. Canadian Medical Association Journal, 2008, 178(5):548-556.
5. https://www.fatforweightloss.com.au/genetic-makeup
6. Yamazaki, Y., Zhao, N., Caulfield, T.R. et al. Apolipoprotein E and Alzheimer disease: pathobiology and targeting strategies. Nat Rev Neurol 15, 501–518 (2019).
7. Bos M M , Noordam R , Blauw G J , et al. The ApoE ε4 Isoform: Can the Risk of Diseases be Reduced by Environmental Factors?[J]. The Journals of Gerontology Series A Biological Sciences and Medical Sciences, 2018.
