“I know what it’s feeling. Everything I’ve worked for in my entire life is going”。
阿爾茨海默病（AD）是一種多見於老年人的神經系統退行性疾病。正如影視作品中所描述的這樣，隨著疾病的進展，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的風險更高，發病也更早 [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發生發展的秘密。但既往研究大都侷限於某一種細胞或者某一條通路，讓我們無法對APOE4與AD病理程式的關係建立完整的概念。
近期，來自美國加利福尼亞大學的黃亞東教授團隊的一項研究，透過記錄小鼠大腦內單細胞核轉錄組學變化，發現敲除神經元內APOE4基因可改善Tau蛋白介導的膠質細胞啟用，神經系統脫髓鞘改變和神經元死亡等一系列病理損傷[2]。研究成果發表在《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的風險，而APOE2正相反，可以降低AD的發病風險。APOE3被稱為野生型，對AD風險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loxP序列的人APOE3和APOE4基因的小鼠，與神經元特異性啟動子Syn1-Cre小鼠雜交，得到了可以在神經元內特異性敲除APOE基因的小鼠。
在此基礎上，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。這樣就可以在神經元記憶體在或不存在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月齡時對海馬中Tau蛋白病理進行了檢測，實驗結果表明，表達APOE4的小鼠海馬區域有大量的磷酸化Tau蛋白和神經元纖維纏結。在神經元內特異性敲除APOE4後，磷酸化Tau蛋白的水平下降了81%，含有纖維纏結的神經元數量也明顯降低了（P=0.0103）。
透過在小鼠右側海馬注射表達P301S突變Tau蛋白的慢病毒載體，研究者們觀察到表達APOE4的小鼠左側海馬Tau蛋白病理陽性的神經元數量增加，在神經元內敲除APOE4後有明顯改善（P<0.0001）。說明APOE4在Tau蛋白異常磷酸化，Tau蛋白聚集，和Tau蛋白在神經元間傳播過程中全部發揮了作用。
圖a，b: PS19-fE4小鼠中磷酸化Tau和神經纖維纏結較PS19-fE3小鼠明顯增加，在神經元中敲除APOE4後下降。圖c，d：在右側海馬注射P301S Tau表達載體後，fE4小鼠左側海馬人源性Tau蛋白和磷酸化Tau蛋白均高於敲除組。圖e.f：APOE4存在時海馬中不可溶性磷酸化Tau蛋白增加。
Tau蛋白病理與AD的進展密切相關，那麼，如果在神經元內特異性敲除APOE4是否能改變這一程式呢？
研究者們對此一一進行了解答。首先，研究發現PS19-fE4小鼠海馬區發生了神經退行性改變,這一組小鼠的海馬體積顯著縮小，海馬CA1區和齒狀回的厚度明顯變薄，神經元凋亡標誌物Caspase-3剪下體表達明顯升高（P<0.0001），這說明神經元出現了嚴重的死亡情況。
而PS19-fE3，PS19-fE3/Syn1-Cre和PS19-fE4/Syn1-Cre三組小鼠均未出現明顯的神經元死亡情況，說明上述神經退行性改變是由於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，敲除神經元APOE4後恢復。圖c，d：PS19-fE4小鼠海馬出現神經脫髓鞘改變和神經元過度興奮，敲除神經元APOE4後恢復。
在髓鞘損傷的檢測中也有類似的發現。
研究人員檢測了PS19-fE4小鼠海馬區髓鞘損傷情況和髓鞘修復情況。結果發現APOE4存在的情況下小鼠髓鞘受損嚴重。在海馬區特異性敲除APOE4後，髓鞘受損情況和損傷修復情況均恢復到了與PS19-fE3小鼠相似的水平。
除此之外，研究者們還發現與PS19-fE3小鼠相比，PS19-fE4小鼠CA1-CA3環路過度興奮，小膠質細胞和星形膠質細胞明顯啟用。APOE4敲除後這兩種現象都得到了緩解。
由此可見，神經元內APOE4的敲除減緩了Tau蛋白病理狀態下的神經元死亡、神經系統脫髓鞘改變和神經元功能的改變。
透過上述結果，我們不難發現，神經元內APOE4的存在不僅影響了神經元本身，還影響了膠質細胞。那麼在整個海馬區域，是不是所有細胞都受到了這種影響，共同推動了神經退行性改變的進展呢？
接下來的實驗中，研究者們對PS19-fE3，PS19-fE4，PS19-fE4/Syn1-Cre三組小鼠海馬區的細胞進行了單細胞核轉錄組分析，根據不同的細胞標記基因表達水平變化，將整個海馬區的細胞分成了34個類群。
根據每群細胞在三組小鼠中數量佔比的不同，研究者們將在PS19-fE4小鼠中顯著增加的細胞群定義為神經元APOE4介導的疾病相關(nE4-DA)細胞群。
圖a: 單細胞核轉錄組分析將海馬細胞分為34個亞群。圖b: 三組小鼠中不同亞群細胞中APOE表達情況。圖c：疾病相關神經元中高表達和低表達的基因。圖d：PS19-fE4/Syn1-Cre小鼠與PS19-fE4小鼠相比疾病相關神經元中基因表達的變化情況。
在對這些特殊細胞群進行基因表達分析時，研究人員有了令人興奮的發現。
不論什麼種類的細胞中，nE4-DA細胞群均高表達Hspa8，Hsp90aa1，Hsp90ab1，Calm1，Calm2，Nrgn和Ubb這幾種基因。
不僅如此，透過對PS19-fE4/Syn1-Cre小鼠的nE4-DA細胞群進行分析，研究者們發現清除神經元中的APOE4基因後，上述基因表達量降低了。這說明APOE4的清除不僅改變了nE4-DA細胞群的數量，還改變了nE4-DA細胞群的基因表達。這些在APOE4存在情況下高表達的基因，可能就是解開APOE4致病機制之謎的關鍵。
總的來說，本研究重點關注了神經元中APOE4對Tau蛋白病理的推動作用，發現神經元中特異性敲除APOE4可以使海馬中的病理性Tau蛋白含量下降81%。儘管神經元中的APOE4如何介導其它細胞的病理變化還有待探索，但本文已經為我們提供了很有利的證據。如果能夠找到安全穩定的方法特異性敲除神經元中的APOE4基因，也許能夠降低這類人群的患病風險。
參考文獻：
[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
來自：奇點神思