撰文 | 阿童木
阿尔茨海默症（Alzheimer’s disease, AD）的临床前期（preclinical phase）是指患者在出现明显的认知或记忆障碍以前的阶段。尽管此时还没有显著的临床表现，但大脑中已经出现了与AD相关的病理变化，如β-淀粉样蛋白（amyloid-beta, Aβ）斑块的积聚和Tau蛋白缠结的形成。临床前期AD可以持续多年甚至数十年，最终引发一系列复杂的病理反应，导致神经退行性病变，并逐步损害记忆和认知功能【1】。
在AD进展过程中，Aβ和Tau蛋白是两种关键的异常折叠蛋白。这些蛋白在正常情况下具有特定的三维结构，但在AD进展过程中会发生错误折叠，形成病理性聚集体。这些聚集体像“种子”一样，能够诱导周围正常蛋白质发生同样的错误折叠，形成更多的聚集体，进一步加剧病理过程【2】。
然而，是什么启动了这一病理级联反应呢？基因分析表明，散发性AD的风险与主要在小胶质细胞和星形胶质细胞中表达的基因密切相关，这些细胞对Aβ的沉积有反应【3】。已确定的高危基因大多与免疫、脂质代谢和内吞途径有关，其中载脂蛋白E（APOE）及其等位基因APOE4被认为是最具风险的【4】。在健康的中枢神经系统中，APOE主要由星形胶质细胞合成，通过在脂蛋白颗粒中溶解脂质来发挥作用，并通过受体介导的内吞作用支持细胞存活、突触形成和膜扩张等过程。
除了在脂质稳态中的作用外，APOE在神经系统疾病中也起着关键作用。几乎所有包括AD在内的中枢神经系统损伤，都伴随小胶质细胞和星形胶质细胞的反应，并诱发脂质代谢途径，尤其是APOE的上调。利用小鼠模型的研究表明，APOE缺失会减少Aβ纤维状斑块的沉积，提示APOE可能参与了Aβ纤维化、稳定化或压实过程【4】。
2024年10月16日，慕尼黑工业大学Mikael Simons实验室领衔在Immunity杂志发表了题为Apolipoprotein E aggregation in microglia initiates Alzheimer’s disease pathology by seeding β-amyloidosis的研究文章。作者开发了表达HaloTag标记APOE的转基因小鼠（ApoE-Halo），并优化了APOE的纯化和检测方法，从而能够更精确地分析Aβ病变中的APOE作用。利用这一模型，作者发现APOE的纤维状聚集体在小胶质细胞的内吞-溶酶体系统中诱导了Aβ淀粉样变性，该过程受小胶质细胞脂质代谢和JAK/STAT信号通路的调控。本研究揭示了小胶质细胞内APOE的聚集可能是Aβ斑块形成和AD病理反应的初始驱动因素。
为改善APOE的可视化和纯化，作者构建了表达HaloTag标记的APOE转基因小鼠模型（ApoE-Halo），并确认了HaloTag对Aβ代谢和脂质代谢没有显著影响。将ApoE-Halo小鼠与阿尔茨海默症模型小鼠（5xFAD）交配后，作者发现APOE在Aβ纤维沉积中有显著定位，尤其在小胶质细胞中更为明显。
通过HaloTag自标记技术，研究进一步明确了APOE在Aβ斑块中的高特异性定位。随着AD的进展，Aβ斑块的纤维化加剧，APOE聚集也相应增加。Sarkosyl提取和免疫纯化分析显示，APOE聚集体呈现多聚体和纤维状形态，且部分聚集体几乎独立于Aβ存在。这一发现不仅在小鼠模型中成立，也在AD患者的脑组织中得到了验证。
为了验证APOE聚集体在Aβ斑块形成中的作用，研究人员通过将APOE聚集体注射到AD小鼠的大脑中，发现斑块生成显著增加，而去除APOE聚集体后，这一效应明显减弱。这一结果进一步证实了APOE聚集体作为Aβ斑块形成的关键辅助因子发挥了重要作用。此外，通过将APOE3和APOE4敲入小鼠与5xFAD小鼠杂交，作者发现无论是APOE3还是APOE4，都能作为Aβ斑块形成的辅助因子，但APOE4较APOE3在促进Aβ聚集和斑块生成上表现出更强的效力，表明APOE4在AD发病中的关键作用。
接下来，通过高分辨率成像和3D渲染技术发现，APOE-Halo聚集体主要位于活化的小胶质细胞内，在不同AD小鼠模型和人类AD样本中均可检测到，且小胶质细胞内存在纤维状聚集体，尤其在斑块周围。因此，APOE与小胶质细胞协同作用，共同促进了Aβ聚集体和淀粉样斑块的形成。
药物实验进一步表明，小胶质细胞的功能对于这些聚集体的形成至关重要，而溶酶体功能障碍和干扰素信号的激活则会加剧APOE聚集体的形成。不仅如此，使用JAK/STAT抑制剂进行治疗能够减少APOE依赖性聚集体和Aβ斑块的形成。因此，干扰素和免疫信号与溶酶体功能一道在APOE介导的聚集体形成中发挥了重要作用。
作者最后检测了APOE与脂质结合在小胶质细胞内聚集体形成中的作用，发现脂质化的APOE比无脂质的APOE更易被细胞摄取，并增强了聚集体的形成。此外，胆固醇合成的减少会加速APOE聚集体的形成，并促进Aβ斑块的积累。阻断小胶质细胞中的胆固醇合成也会上调APOE受体的表达，进一步加速APOE聚集体的形成。
综上所述，本研究揭示了阿尔茨海默症发展过程中淀粉样变性及其早期病理机制，特别是载脂蛋白E（APOE）在这一过程中扮演的关键角色。通过开发APOE-Halo小鼠模型，作者揭示了APOE聚集体在小胶质细胞的内吞-溶酶体系统中诱导了Aβ淀粉样变性，并探明了脂质代谢和免疫信号对这一过程的调控作用。本研究阐释了小胶质细胞对APOE的内吞和聚集可能是Aβ斑块形成的初始驱动因素，为理解阿尔茨海默症的病理机制提供了新的视角。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.immuni.2024.09.014
制版人：十一
1. Scheltens, P., et al. (2021). Alzheimer’s disease. Lancet 397, 1577–1590.
2. Jucker, M., and Walker, L.C. (2013). Self-propagation of pathogenic protein aggregates in neurodegenerative diseases. Nature 501, 45–51.
3. Sadick, J.S., et al. (2022). Astrocytes and oligodendrocytes undergo sub-type-specific transcriptional changes in Alzheimer’s disease. Neuron 110, 1788–1805.e10.
4. Chen, Y., et al. (2021). Apolipoprotein E: structural insights and links to Alzheimer disease pathogenesis. Neuron 109, 205–221.
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