阿爾茨海默?。ˋD）是一種起病隱匿的進行性發(fā)展的神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病。臨床上以記憶障礙、失語、失用、失認、視空間技能損害、執(zhí)行功能障礙以及人格和行為改變等全面性癡呆表現(xiàn)為特征，病因迄今未明。65歲以前發(fā)病者，稱早老性癡呆；65歲以后發(fā)病者稱老年性癡呆。
AD其特征是廣泛的神經(jīng)變性，膠質(zhì)增生和淀粉樣-β（Aβ）斑塊和tau蛋白神經(jīng)纖維纏結(jié)。從研究來看，該病的可能因素和假說眾多，反映了復(fù)雜的遺傳和環(huán)境病因。絕大部分的流行病學(xué)研究提示，家族史是該病的危險因素。最近通過基因定位研究，發(fā)現(xiàn)腦內(nèi)淀粉樣蛋白的病理基因位于第21對染色體。
與AD有關(guān)的遺傳學(xué)位點，已知的至少有以下4個：早發(fā)型AD基因座分別位于2l、14、1號染色體。相應(yīng)的可能致病基因為APP、S182和STM-2基因。遲發(fā)型AD基因座位于19號染色體，可能致病基因為載脂蛋白E（APOE）基因。載脂蛋白E ε4（APOE4）是AD最強的遺傳危險因素，除非洲人的APOE4相關(guān)AD風險較低外，APOE4使歐洲人和東亞人的AD風險分別增加15倍及15倍以上。但是作為AD最強的危險因素，APOE4如何影響人腦細胞功能以及機制尚不清楚。
近日，來自美國紐約西奈山伊坎醫(yī)學(xué)院遺傳學(xué)和基因組科學(xué)系的研究團隊在Cell?雜志在線發(fā)表了題為“Cholesterol and matrisome pathways dysregulated in astrocytes and microglia”的研究，該研究揭示了APOE4驅(qū)動星形膠質(zhì)細胞和小膠質(zhì)細胞脂代謝失調(diào)，從而使得APOE4引發(fā)神經(jīng)膠質(zhì)細胞特異性細胞和非細胞自主失調(diào)，從而導(dǎo)致AD風險增加。這項研究從代謝的角度揭示了APOE4的作用機制，為理解AD發(fā)病提供新的視角。
研究者們首先評估APOE4對人類腦細胞類型的影響，分析了APOE4對人群和同基因人類誘導(dǎo)多能干細胞(HiPSCs)、死后的腦組織和APOE靶向替換(APOE-TR)小鼠腦細胞類型的影響。
人群和等位基因模型表明，APOE4局部單倍型，而不是單一的風險等位基因，是導(dǎo)致風險的因素。作者分析了13個人群hiPSC系（6個APOE 44和7個APOE 33），確認APOE4是AD遺傳風險評分（GRS）的主要影響因素。通過1000G單倍型頻率，作者定義了常見（hap.01-23）和稀有（hap.other）單倍型，識別了8個常見單倍型和 11個稀有單倍型。APOE4發(fā)生在7個獨特的單倍型上，而APOE3發(fā)生在12個不同的單倍型上。通過RNA測序獲得的轉(zhuǎn)錄本主成分分析(PCA)和Spearman相關(guān)性顯示，樣本按細胞類型聚集，而不是按APOE基因型區(qū)分。
在iPSC重編程后，hiPSC分化為四種細胞類型：小膠質(zhì)細胞、星形膠質(zhì)細胞、混合皮質(zhì)培養(yǎng)物、BMECs。接著，作者對每種細胞類型進行了差異表達基因(DEG)分析，發(fā)現(xiàn)星形膠質(zhì)細胞中的DEGs > 小膠質(zhì)細胞 > 混合皮質(zhì)培養(yǎng)物，表明小膠質(zhì)細胞和星形膠質(zhì)細胞是受固有APOE基因影響的主要細胞類型。
隨后基因集富集分析顯示小膠質(zhì)細胞和星形膠質(zhì)細胞中最顯著的上調(diào)基因集是膽固醇生物合成和其他脂質(zhì)途徑。在小膠質(zhì)細胞中，下調(diào)基因集包括高密度脂蛋白(HDLI)介導(dǎo)的脂質(zhì)運輸、通用轉(zhuǎn)錄途徑和溶酶體。因此， APOE4與較高的膽固醇合成和較低的分解代謝/外排相關(guān)，APOE4小膠質(zhì)細胞和星形膠質(zhì)細胞中胞內(nèi)膽固醇水平發(fā)生改變。
隨后，作者發(fā)現(xiàn)APOE4 AD星形膠質(zhì)細胞顯示出與APOE4 hiPSC混合皮質(zhì)培養(yǎng)物相同的基質(zhì)組相關(guān)模塊，例如上調(diào)的趨化性、炎癥和脂質(zhì)合成。在APOE4 hiPSC混合皮質(zhì)培養(yǎng)物和AD腦中均發(fā)現(xiàn)了由星形膠質(zhì)細胞驅(qū)動的基質(zhì)組，其與神經(jīng)膠質(zhì)細胞遷移、炎癥和脂質(zhì)合成有關(guān)。所有腦區(qū)的ECM、趨化因子和細胞因子信號通路在APOE4小膠質(zhì)細胞中均呈陽性富集。
更為有趣的是，研究者通過轉(zhuǎn)錄組學(xué)對APOE4、APOE3、Apoe KO和Apoe野生型(WT)的小鼠新生小膠質(zhì)細胞和星形膠質(zhì)細胞進行分析，發(fā)現(xiàn)APOE基因座附近的調(diào)控機制或結(jié)構(gòu)在物種之間存在差異。小鼠Apoe和人APOE兩者在功能上不一樣，脂質(zhì)代謝失調(diào)是人特異性的。
其中，與APOE3相比，APOE4星形膠質(zhì)細胞中胞內(nèi)游離膽固醇顯著增加。因果網(wǎng)絡(luò)分析顯示，SREBF2、SCAP和HMGCR在APOE4星形膠質(zhì)細胞和小膠質(zhì)細胞中激活，表明APOE4星形膠質(zhì)細胞中的胞內(nèi)膽固醇升高，膽固醇的從頭合成也增加。同時，APOE4和脂質(zhì)轉(zhuǎn)運蛋白的減少導(dǎo)致膽固醇流出減少。這些數(shù)據(jù)表明，APOE4 星形膠質(zhì)細胞和小膠質(zhì)細胞中的膽固醇運轉(zhuǎn)受損，LXR激動劑可逆轉(zhuǎn)解偶的脂質(zhì)代謝，但對不同細胞類型反應(yīng)不同。
進一步研究發(fā)現(xiàn)，肌動蛋白細胞骨架的調(diào)節(jié)是轉(zhuǎn)錄組學(xué)中最顯著和負富集的基因組之一， APOE4星形膠質(zhì)細胞的肌動蛋白細胞骨架失調(diào)與外部脂質(zhì)暴露無關(guān)，但混合皮質(zhì)培養(yǎng)物的去卷積星形膠質(zhì)細胞與純星形膠質(zhì)細胞高度相關(guān)（95%–97%）。表明星形膠質(zhì)細胞-神經(jīng)元通訊驅(qū)動星形膠質(zhì)細胞基質(zhì)體信號，基質(zhì)體則加劇APOE4星形膠質(zhì)細胞的脂質(zhì)失調(diào)。
這項研究中，作者在hiPSC模型，AD患者的腦組織和APOE-TR小鼠證明了APOE4基因在人類當中的獨特作用，揭示了APOE4共同驅(qū)動星形膠質(zhì)細胞中的溶酶體膽固醇螯合，減少了胞質(zhì)內(nèi)游離的膽固醇，從而通過增加膽固醇生物合成和減少外排導(dǎo)致脂質(zhì)失調(diào)。促炎基質(zhì)組失調(diào)至少部分是由APOE4星形膠質(zhì)細胞-神經(jīng)元通訊引起的，并惡化脂質(zhì)失調(diào)，包括膽固醇生物合成和外排。提示在APOE4攜帶者中，恢復(fù)神經(jīng)膠質(zhì)脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)和炎癥的治療方法可能對AD患者有益。從全新的角度解釋了APOE4在AD中的作用機制，為治療提供新的策略。
參考文獻：
Cell. 2022 Jun 23;185(13):2213-2233.e25.doi: 10.1016/j.cell.2022.05.017.
Cholesterol and matrisome pathways dysregulated in astrocytes and microglia
來源于公眾號：生物谷
