老年痴呆症的风险来源：APOE4引起的神经胶质脂质代谢失调和炎症

撰文 | 言笑

阿尔茨海默病（Alzheimer's disease,AD）是痴呆的最常见形式，其特征是广泛的神经变性，胶质增生和两个病理特征：淀粉样-β（Aβ）斑块和tau蛋白神经纤维缠结【1】。大多数AD病例是散发的，发病年龄>65岁，反映了复杂的遗传和环境病因【2】。载脂蛋白E ε4（APOE4）是AD最强的遗传危险因素。APOE ε4/ε4（APOE 44）使欧洲人的AD风险增加了15倍【3】，非洲人的APOE4相关AD风险较低，而东亚人的APOE4风险高于欧洲人【4】。虽然APOE4与AD风险增加之间的关联已得到公认，但其对人脑细胞功能的影响尚不清楚。当与APP或MAPT突变小鼠杂交时，APOE靶向替代（APOE-TR）小鼠对Aβ播种、Aβ清除和tau依赖性神经变性表现出APOE基因型依赖性影响【5】。星形胶质细胞特异性APOE4缺失可挽救tau介导的神经变性【6】。APOE4还有助于减少突触可塑性和血脑屏障功能障碍【7】。这些研究表明，APOE4会影响多种细胞类型。

2022年6月23日，来自美国波士顿大学医学院的Julia TCW团队和西奈山伊坎医学院的Alison M. Goate团队在Cell杂志在线发表了题为Cholesterol and matrisome pathways dysregulated in astrocytes and microglia的文章，研究人员在人诱导多能干细胞（human induced pluripotent stem cells, hiPSCs）、死后脑组织和APOE-TR小鼠脑组织中，通过转录组学分析揭示了星形胶质细胞和小胶质细胞中人特异性APOE4驱动的脂质代谢失调：APOE4增加了胆固醇的从头合成；基质组（matrisome，一组核心的细胞外基质蛋白以及修饰它们的蛋白质）失调与趋化性上调、神经胶质活化和脂质生物合成有关。因此，APOE4会引发神经胶质细胞特异性的细胞和非细胞自主失调，从而导致AD风险增加。

为了评估APOE4对人类脑细胞类型的影响，作者分析了不同APOE基因型对小胶质细胞、星形胶质细胞、脑微血管内皮细胞（brain microvascular endothelial cells, BMECs）和混合皮质培养物的影响，这些细胞由来自AD hiPSCs的神经元和星形胶质细胞组成。13个群体hiPSC细胞系（6个APOE4和7个APOE3）选自43个欧洲人，APOE4为AD遗传风险评分（genetic risk score, GRS）的主要贡献者，并且不携带TREM2变异。作者对嵌入每个ε3和ε4等位基因中的局部单倍型进行分类，定义了常见（hap.01-23）和罕见（hap.other）单倍型，并在10个群体hiPSC中鉴定了8个常见单倍型，在8个群体hiPSC中鉴定了11个罕见单倍型。APOE4发生在7个独特的单倍型上，而APOE3发生在12个不同的单倍型上。单倍型在APOE3和APOE4携带者之间不共享。值得注意的是，APOE局部单倍型由APOE基因型聚类。因此，包含 APOE 基因座的多种单倍型以APOE基因型依赖性方式存在。

在iPSC重编程后，hiPSC分化为四种细胞类型：小胶质细胞、星形胶质细胞、混合皮质培养物、BMECs（图1E）。通过比较APOE4与APOE3，作者在每种细胞类型中进行了差异表达基因（differentially expressed gene, DEG）分析。星形胶质细胞中的DEGs > 小胶质细胞 > 混合皮质培养物，BMECs中不存在显著DEGs，表明小胶质细胞和星形胶质细胞是受内在APOE基因型影响的主要细胞类型。基因集富集分析显示，小胶质细胞和星形胶质细胞中最重要的正富集基因集是胆固醇生物合成和其他脂质途径；小胶质细胞中负富集的基因集包括高密度脂蛋白（HDL）介导的脂质转运、通用转录途径和溶酶体。进一步，作者使用独创性通路分析对APOE4与APOE3中富集的基因集进行了因果网络分析。在APOE4小胶质细胞和星形胶质细胞中，上游调控胆固醇合成的转录因子SREBF2和SCAP被激活，但POR被抑制。相反，LXR/RXR、LXR配体和核受体NR1H2和NR1H3在APOE4小胶质细胞中被下调。因此，APOE4与较高的胆固醇合成和较低的分解代谢/外排有关，表明APOE4小胶质细胞和星形胶质细胞中胞内胆固醇水平发生改变。

随后，作者发现APOE4 AD星形胶质细胞显示出与APOE4 hiPSC混合皮质培养物相同的基质组相关模块：上调的趋化性、炎症和脂质合成。那么APOE4 AD脑细胞中是否存在丰富的APOE4 hiPSC星形胶质细胞和小胶质细胞通路。来自AD脑的APOE4星形胶质细胞和小胶质细胞，正富集胆固醇/类固醇生物合成和其他脂质代谢，负富集HDL介导的脂质转运和溶酶体，与APOE4 hiPSC星形胶质细胞和小胶质细胞的富集一致。功能预测显示，APOE4脑星形胶质细胞和小胶质细胞脂质途径中正富集的基因导致胆固醇合成增加；APOE4小胶质细胞中受抑制的溶酶体基因提示胆固醇/脂质积累和脂质分解代谢和胆固醇转运减少。这些数据表明，作者在APOE4hiPSC混合皮质培养物和AD脑中都发现了由星形胶质细胞驱动的基质组，其与神经胶质细胞迁移、炎症和脂质合成有关。

通过比较小鼠Apoe和人APOE，作者发现两者在功能上不一样，脂质代谢失调是人特异性的。APOE4星形胶质细胞和小胶质细胞中胆固醇代谢解偶联，可通过细胞内胆固醇增加、从头合成增加和外排减少导致。与APOE3相比，APOE4星形胶质细胞中胞内游离胆固醇显著增加，但缺乏APOE的供体成纤维细胞没有表现出基因型依赖性胆固醇差异。胆固醇生物合成的因果网络分析显示，APOE4星形胶质细胞和小胶质细胞中激活了SREBF2、SCAP和HMGCR，表明APOE4星形胶质细胞中的胞内胆固醇升高，胆固醇的从头合成也增加。在溶酶体贮积病中，溶酶体胆固醇滞留会增加总胆固醇，但会降低其他细胞器中的胆固醇。与APOE3星形胶质细胞相比，溶酶体胆固醇在APOE4中显著增加。作者因此推测，溶酶体将游离胆固醇从内质网中隔离出来进而引起胆固醇代谢失调，这种机制错误地告知APOE4细胞做出反应，导致胆固醇从头合成上调。同时，APOE和脂质转运蛋白的减少导致胆固醇流出减少。这些数据表明，APOE4 星形胶质细胞和小胶质细胞中的胆固醇运转受损。

最后，作者揭示了APOE4星形胶质细胞中改变的基质组信号。AD脑的细胞类型反卷积揭示了APOE4星形胶质细胞中富集的基质组。分层聚类是APOE基因型依赖性的，近一半（24/45）是差异表达蛋白（differentially expressed proteins, DEPs）。前12位DEPs（CXCL12、CXCL1、CCL4、CCL11、CXCL10、CCL5、IL-8、LIF、IL-6、VEGF-A、HGF和VEGF-D）在APOE4星形胶质细胞中显著升高。与纯星形胶质细胞相比，APOE4 混合皮质培养星形胶质细胞中的趋化因子/细胞因子（CXCL1 和 CXCL10）升高。促炎因子干扰素γ（IFNγ）和肿瘤坏死因子α（TNFα）由小胶质细胞和星形胶质细胞分泌，在AD中升高，并且是基质组信号的一个子集。促炎介质IL6、NOS2和HLA-DOB在用IFNγ和TNFα处理的APOE4星形胶质细胞中上调。IFNγ和TNFα上调胆固醇生物合成基因（HMGCR、LDLR和SREBF2）和下调外排基因（ABCA1和ABCA7）。这些数据表明，炎症作为APOE4大脑中基质组富集的亚群，加剧了APOE4星形胶质细胞中的脂质失调。

综上所述，该研究通过hiPSC模型、AD人脑和APOE-TR小鼠证明了APOE4的人类特异性和AD脑细胞类型依赖性转录和细胞表型，揭示了脂质稳态和神经胶质激活中的主要缺陷。如图2所示，APOE4驱动星形胶质细胞中的溶酶体胆固醇隔离，通过增加胆固醇生物合成和减少外流导致脂质失调。促炎基质组失调至少部分是由APOE4星形胶质细胞-神经元通讯引起的，并恶化脂质失调，包括胆固醇生物合成和外排。因此，旨在恢复神经胶质脂质稳态和炎症的治疗方法可能对AD患者有益，特别是在APOE4携带者中。

图2

https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.05.017

制版人：十一

参考文献

1. Selkoe, D.J. (2003). Toward a remembrance of things past: deciphering Alzheimer disease.Harvey Lect.99, 23-45.

2. Karch, C.M., and Goate, A.M. (2015). Alzheimer’s disease risk genes and mechanisms of disease pathogenesis.Biol. Psychiatr.77, 43-51.

3. Genin, E., Hannequin, D., Wallon, D., et al. (2011). APOE and Alzheimer disease: a major gene with semi-dominant inheritance.Mol. Psychiatr.16, 903-907.

4. Liu, M., Bian, C., Zhang, J., et al. (2014). Apolipoprotein E gene polymorphism and Alzheimer’s disease in Chinese population: a meta-analysis.Sci. Rep.4, 4383.

5. Shi, Y., Yamada, K., Liddelow, S.A., et al. (2017). ApoE4 markedly exacerbates tau-mediated neurodegeneration in a mouse model of tauopathy.Nature549, 523-527.

6. Wang, C., Xiong, M., Gratuze, M., et al. (2021). Selective removal of astrocytic APOE4 strongly protects against tau-mediated neurodegeneration and decreases synaptic phagocytosis by microglia.Neuron109, 1657-1674.e7.

7. Montagne, A., Nation, D.A., Sagare, A.P., et al. (2020). APOE4 leads to blood-brain barrier dysfunction predicting cognitive decline.Nature581, 71-76.

转载须知

【原创文章】BioArt原创文章，欢迎个人转发分享，未经允许禁止转载，所刊登的所有作品的著作权均为BioArt所拥有。BioArt保留所有法定权利，违者必究。