APOE基因和老年癡呆癥的探討（一）

2019年10月24日 | Filed under: 新藥研發(fā),制藥常識,精神疾病,熱門(mén)話(huà)題,文獻綜合 | Posted by: 沈驪

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作者：GB HealthWatch 沈驪

摘要：

APOE基因E4變異是最主要的老年癡呆癥風(fēng)險變異，攜帶一條E4變異的人群，罹患老年癡呆癥的風(fēng)險增加3-4倍，而攜帶二條E4變異，得病風(fēng)險增加12-15倍。E4變異很常見(jiàn)，大約20-30%的人群攜帶E4變異。攜帶E4變異的患者癥狀出現得更年輕，病程發(fā)展更快，腦中的淀粉樣蛋白斑塊也更多更大更結實(shí)。本文通過(guò)解析已知的實(shí)驗證據，探討E4變異對apoE蛋白質(zhì)結構和功能的影響，以及這些變化如何導致淀粉樣蛋白斑塊的沉積，最終誘發(fā)老年癡呆癥的癥狀。同時(shí)，也試圖解釋為什么以清除淀粉樣蛋白為治療機制的藥物開(kāi)發(fā)，臨床實(shí)驗結果都以失敗告終。

第一部分：APOE基因E4突變是迄今發(fā)現的最大老年癡呆癥風(fēng)險

1. 老年癡呆癥與APOE基因變異

阿爾茨海默病（Alzheimer’s Disease, AD），俗稱(chēng)老年癡呆癥可能是最后一個(gè)完全無(wú)藥可治的大病種，也是全球各藥企最大的念想。過(guò)去30年針對老年癡呆癥的新藥開(kāi)發(fā)都以失敗告終，大把白花花的銀子打了水漂，更讓人失望的是黑夜漫漫兮不知路在何方。很多人開(kāi)始紛紛拋棄淀粉樣蛋白假說(shuō)（amyloid beta hypothesis), 取而代之的是更時(shí)髦但機理尚且模糊的新概念。然而，在進(jìn)軍任何新靶點(diǎn)之前，很有必要仔細審核一下老年癡呆癥的最大遺傳風(fēng)險因子，APOE 基因和它的E4變異是通過(guò)什么樣的分子機制促使淀粉樣蛋白堆積并最終誘發(fā)老年癡呆癥的。

記憶和認知能力的逐漸丟失是老年癡呆癥的癥狀，這些癥狀是源于大腦神經(jīng)細胞的進(jìn)行性死亡。老年癡呆癥患者的大腦中有大量淀粉樣蛋白沉積，并且隨著(zhù)腦細胞死亡，大腦嚴重萎縮。淀粉樣蛋白假說(shuō)曾經(jīng)是主流公認的老年癡呆癥致病機制。這一假說(shuō)認為，淀粉樣蛋白在神經(jīng)細胞外沉積，是造成神經(jīng)細胞死亡的前奏和誘因，因此，抑制淀粉樣蛋白產(chǎn)生或清除淀粉樣蛋白沉積，可能可以治療或減緩老年癡呆癥。然而, 迄今為止據于這一假設的藥物設計在臨床實(shí)驗中都以失敗告終。

Fig 1
圖一：老年癡呆癥患者大腦嚴重萎縮。

老年癡呆癥分為家族性早發(fā)型（familial early-onset Alzheimer’s disease) 和散發(fā)性晚發(fā)型（sporadic late-onset Alzheimer’s disease)。前者人數很少，約占老年癡呆癥病人總數的5%，一般在65歲以前發(fā)病。這些早發(fā)型老年癡呆癥是單基因疾病，主要涉及三個(gè)基因，APP, PSEN1和PSEN2。APP基因編碼直接生產(chǎn)淀粉樣蛋白的前體蛋白，而PSEN1和PSEN2基因編碼參與切割淀粉樣蛋白前體的酶。這三個(gè)基因上的某些突變會(huì )導致淀粉樣蛋白過(guò)量產(chǎn)生。以上三個(gè)基因的致病機理為淀粉樣蛋白假說(shuō)提供了堅實(shí)依據。然而，大部分（95%以上）老年癡呆癥是散發(fā)性晚發(fā)型，屬于多基因復雜疾病（polygenic complex disease)。也就是說(shuō)單個(gè)基因突變不能決定是否會(huì )得病，而是多個(gè)遺傳因素互相加和或消減，同時(shí)又受性別年齡，飲食結構和生活習慣等多重環(huán)境因素影響。發(fā)病越早的老年癡呆癥，基因的因素越大，而發(fā)病越晚的病人，則基因的因素越小，而更多受環(huán)境因素影響。雖然我們都認為老年癡呆癥是一種無(wú)藥可治的可怕疾病，但事實(shí)上，只那些沒(méi)有早早死于癌癥，心臟病，腦中風(fēng)和其他致命疾病的幸運者，才有機會(huì )經(jīng)歷這種病。你越長(cháng)壽，患上老年癡呆癥的可能性就越大了。

APOE基因的E4變異是迄今為止發(fā)現的老年癡呆癥最大風(fēng)險因子。在75歲以前診斷為老年癡呆癥的病人中，高達67%的患者攜帶E4變異。而在80歲以后才被診斷的患者中，E4的攜帶率只有13%, 這個(gè)比例和80歲以后腦子仍然健康人群一致。對白種人而言，攜帶一條E4變異，得老年癡呆的風(fēng)險增加3-4倍，而攜帶二條E4變異，得病風(fēng)險會(huì )增加到13-15倍。不同的種族對E4變異的敏感性也不一樣，生活在非洲的黑人敏感性最低，攜帶一條E4變異并不增加老年癡呆癥風(fēng)險，而攜帶二條E4只稍微增加風(fēng)險。而日本人敏感性最高，攜帶一條E4變異增加5-7倍風(fēng)險，二條E4變異增加風(fēng)險到33倍。然而，攜帶E4變異既不是罹患老年癡呆癥的充分條件，也不是必要條；有大約一半攜帶E4變異的人群活到80歲還未被診斷患老年癡呆癥，而相反在80歲以前就被診斷的患者中，約40%并不攜帶E4變異。而在80歲以后才被診斷的患者中，87%不攜帶E4變異。攜帶E4變異的老年癡呆癥患者不僅發(fā)病時(shí)間較早，癥情惡化得也更快，而且病理觀(guān)察還發(fā)現，有E4變異的病人比沒(méi)有E4變異的病人腦中的淀粉樣蛋白斑塊更多更大。

Fig 2
圖二：APOE基因E4變異在不同年齡段被診斷的老年癡呆癥患者中的分布。

有100多個(gè)基因被報道與散發(fā)性晚發(fā)型老年癡呆癥相關(guān)連，其中至少二十幾個(gè)基因有很肯定的分子生物學(xué)機制。有的變異會(huì )減弱APOE基因E4的致病風(fēng)險，例如CASP7基因的失活變異和ABCA1基因的增活變異；而有的則會(huì )加重E4的致病風(fēng)險。

2. APOE基因與膽固醇代謝

APOE基因編碼一個(gè)稱(chēng)為apoE的脂蛋白元（apolipoprotein), 主要在肝臟和大腦中表達。通常脂蛋白元與油脂類(lèi)分子相互嵌合形成脂蛋白微粒，協(xié)助油脂類(lèi)分子在水相運輸，并通過(guò)與細胞表面的受體相結合將油脂分子轉運進(jìn)入目標組織。血液中主要有五種脂蛋白微粒，包括乳糜微粒(chylomicron), 非常低密度脂蛋白(VLDL), 中密度脂蛋白(IDL), 低密度脂蛋白(LDL)和高密度脂蛋白(HDL)。通過(guò)脂蛋白微粒運輸的油脂類(lèi)分子包括甘油三脂，膽固醇，磷脂和各種脂溶性維生素等。apoE主要存在于三種脂蛋白微粒上，包括乳糜微粒，VLDL和HDL，其主要功能是參與膽固醇的吸收，合成和分配。

Fig 3
圖三：血液中的五種脂蛋白微粒, apoE存在于乳糜微粒, VLDL和HDL 。

apoE與飲食中的膽固醇吸收和利用非常相關(guān)。在大腦之外，apoE主要由肝細胞合成并分泌到血液中，高膽固醇飲食會(huì )誘導apoE合成。食物中的油脂分子經(jīng)由腸道吸收并合成乳糜微粒。乳糜微粒是一種巨大的脂蛋白微粒，主要含有來(lái)自食物的甘油三脂，也有少量的膽固醇，磷脂和油溶性維生素（包括維生素A，D， K及紅蘿卜素等）。乳糜微粒經(jīng)腸道分泌，通過(guò)淋巴管進(jìn)入血液，在餐后濃度達到最高。乳糜微粒隨著(zhù)血液在身體中循環(huán)，經(jīng)過(guò)肌肉，肝臟和脂肪等組織時(shí)，相嵌在這些組織細胞表面的脂蛋白脂酶（lipoprotein lipase, LPL)就會(huì )將乳糜微粒上的甘油三脂“收割“下來(lái)，并吸收進(jìn)入組織細胞。隨著(zhù)甘油三脂被“收割“，微粒越變越小，最后主要剩下膽固醇分子，稱(chēng)乳糜微粒殘體。這時(shí)apoE與富含膽固醇的殘體相嵌合，負責將殘體及其所攜帶的膽因醇轉運進(jìn)入肝臟和其他需要膽固醇的目標組織。可見(jiàn)，APOE是一個(gè)與飲食非常相關(guān)的基因。

身體中的膽固醇有兩個(gè)來(lái)源，一個(gè)來(lái)源于食物，一個(gè)來(lái)源于肝臟的自主合成(de novo biosynthesis)。富含膽固醇的食物包括禽蛋類(lèi)，奶制品，魚(yú)蝦海鮮和動(dòng)物內臟。當從食物中攝取的膽固醇不足時(shí)，就沒(méi)有足夠的膽固醇轉運進(jìn)入肝細胞，肝臟就會(huì )啟動(dòng)自主合成來(lái)補充身體所需。肝臟合成的膽固醇包裝在VLDL脂蛋白微粒里進(jìn)入血液。VLDL是我們通常說(shuō)的“壞膽固醇”LDL的前體。apoE通過(guò)與VLDL嵌合參與肝臟膽固醇的合成和分泌。此外，apoE還會(huì )與一類(lèi)HDL脂蛋白微粒結合，參與從外圍組織回收多余的及損壞的膽固醇分子，并逆向轉運進(jìn)入肝細胞進(jìn)行再利用或消毀。APOE基因的E4變異也會(huì )增加心血管病的風(fēng)險，但遠沒(méi)有增加老年癡呆癥風(fēng)險那么厲害。

肝臟，生殖腺和腎上腺等組織有大量apoE受體表達。apoE依靠受體介導的內飲機制（receptor-mediated endocytosis)將膽固醇等油脂分子轉運進(jìn)入目標組織。表達apoE受體的組織是那些需要”進(jìn)口”膽固醇為原料合成甾體激素的組織，例如生殖腺細胞用膽固醇為前體合成性激素；腎上腺細胞用之合成“緊張激素”可的松；甲狀腺細胞用之合成甲狀腺素，皮膚細胞用之合成維生素D等。肝臟作為身體中膽固醇的”倉庫”和”加工廠(chǎng)”，具有最多的受體，用于調度和平衡膽固醇的”進(jìn)貨“和”出貨”。apoE受體主要包括LDLR（LDL receptor)和LRP(LDL receptor related receptor family) 受體家族。這些受體的共同特點(diǎn)是都具有一個(gè)或多個(gè)帶負電荷胺基酸的脂蛋白結合區域，正好可以與脂蛋白上帶正電荷胺基酸的受體結合區域相親合。這些受體不是專(zhuān)一接收apoE的，其中LDLR更主要是在肝細胞上接收含apoB的脂蛋白微粒LDL。LDL就是我們通常說(shuō)的”壞膽固醇”。apoB上也有一個(gè)與apoE相似的帶正電荷胺基酸區域用于與受體結合。LDLR基因缺陷和APOB受體結合區域變異都會(huì )導致家族性高膽固醇癥（familial hypercholesterolemia)。而APOE受體結合區域變異會(huì )導致家族性三型高血脂癥(familial type III hyperlipidemia)。

Fig 4 圖四：能接收apoE的LDL受體家族成員。綠色區域為帶負電荷的配體接收區域。

在大腦中，apoE主要由星型膠質(zhì)細胞(astrocytes)合成，并與膽固醇和磷脂嵌合而形成類(lèi)似于血液中高密度脂蛋白的微粒(HDL-like lipoprotein particles)。不同于外周血液系統有五種脂蛋白微粒，大腦中只有兩種脂蛋白微粒，均由星型膠質(zhì)細胞合成, 一種含有apoE，另一種含有apoJ。apoE和apoJ都是脂蛋白元，其作用都是與油性分子嵌合形成脂蛋白微粒而協(xié)助油性分子在細胞間轉運。大腦中，apoE是最主要的脂蛋白微粒，含脂量較高并且以膽固醇為主。apoJ含脂量低，主要含磷脂。apoE在大腦中的主要生理功能可能是運輸膽固醇和磷脂到神經(jīng)細胞，用于神經(jīng)細胞的維護俢復和擴充。很有趣的是編碼apoJ的基因CLU也與老年癡呆癥風(fēng)險相關(guān)，不過(guò)沒(méi)有APOE基因的E4變異那么厲害。更有趣的是，apoE在大腦中的受體LRP1, LRP2和SORL1, 都是老年癡呆癥風(fēng)險基因。另外，星型膠質(zhì)細胞上負責將膽固醇泵出到HDL-like 微粒上的ABCA1基因也是重要的老年癡呆癥風(fēng)險基因。這些觀(guān)察指向，大腦中參與膽固醇轉運的相關(guān)通道與老年癡呆癥的發(fā)病機制嚴重相關(guān)。

星型膠質(zhì)細胞有如大腦中的肝臟，負責神經(jīng)細胞的營(yíng)養供應，其中一項重要功能就是自主合成膽固醇。大腦是人體膽固醇最富集的器官，神經(jīng)細胞膜上的膽固醇含量大約是其他細胞膜的3-7倍。大腦中的膽固醇基本上完全由大腦自主中合成，飲食攝入及肝臟合成的膽固醇均不能進(jìn)入大腦。可見(jiàn)膽固醇對大腦神經(jīng)系統的重要性，大腦根本不敢”相信”我們能控制好我們的飲食和肝臟, 以保障膽固醇的供運，而要完全自主掌控膽固醇的合成。星型膠質(zhì)細胞合成的膽固醇與apoE嵌合, 形成HDL-like脂蛋白微粒，與神經(jīng)細胞上的apoE受體結合, 從而將膽固醇等營(yíng)養物質(zhì)轉運進(jìn)入神經(jīng)細胞。當神經(jīng)細胞受損需要修復時(shí)，對膽固醇的需求就會(huì )增加。如果沒(méi)有得到足夠的供運，就會(huì )啟動(dòng)神經(jīng)細胞內部的膽固醇自主合成，這一過(guò)程會(huì )伴隨產(chǎn)生更多的淀粉樣蛋白。有實(shí)驗觀(guān)察顯示，表達E4變異的星型膠質(zhì)細胞分泌到細胞外的膽固醇較少，對神經(jīng)細胞的膽固醇供應可能不足。同時(shí)，帶有E4變異的神經(jīng)細胞，在有壓力的情況下，會(huì )生產(chǎn)更多易聚合的AB短肽。

Fig 5 圖五：APOE基因E4變異可能造成神經(jīng)細胞膽固醇和磷脂供運不足。

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