《自然·衰老》：全海马单细胞转录组学研究，全面揭示APOE4促进阿尔茨海默病发生机制

来源：网络 2023-03-13 13:14

阿尔茨海默病（AD）是一种多见于老年人的神经系统退行性疾病。正如影视作品中所描述的这样，随着疾病的进展，患者逐渐忘记周围的人，忘记自己引以为傲的过去，失去丰沛的感情，最终丧失生活能力。

（AD）是一种多见于老年人的神经系统退行性疾病。正如影视作品中所描述的这样，随着疾病的进展，患者逐渐忘记周围的人，忘记自己引以为傲的过去，失去丰沛的感情，最终丧失生活能力。

而有这样一类人群：APOE4基因的携带者，他们患AD的风险更高，发病也更早 [1]。

长期以来，人们对APOE4基因做了大量研究，尝试揭开APOE4推动AD发生发展的秘密。但既往研究大都局限于某一种细胞或者某一条通路，让我们无法对APOE4与AD病理进程的关系建立完整的概念。

近期，来自美国加利福尼亚大学的黄亚东教授团队的一项研究，通过记录小鼠大脑内单细胞核转录组学变化，发现敲除神经元内APOE4基因可改善Tau蛋白介导的胶质细胞激活，神经系统脱髓鞘改变和神经元死亡等一系列病理损伤[2]。研究成果发表在《自然 衰老》上。

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APOE有三种等位基因，其中APOE4可以大大提高患AD的风险，而APOE2正相反，可以降低AD的发病风险。APOE3被称为野生型，对AD风险增加或减少无明显作用[3]。

为了研究APOE4的作用，研究者们将表达loxP序列的人APOE3和APOE4基因的小鼠，与神经元特异性启动子Syn1-Cre小鼠杂交，得到了可以在神经元内特异性敲除APOE基因的小鼠。

在此基础上，研究者们将上述模型鼠与Tau蛋白病理模型鼠PS19杂交，得到了四种转基因小鼠模型：PS19-fE3，PS19-fE3/Syn1-Cre，PS19-fE4，PS19-fE4/Syn1-Cre。这样就可以在神经元内存在或不存在APOE基因的情况下观察Tau蛋白病理变化。

接下来，研究者们在小鼠10月龄时对海马中Tau蛋白病理进行了检测，实验结果表明，表达APOE4的小鼠海马区域有大量的磷酸化Tau蛋白和神经元纤维缠结。在神经元内特异性敲除APOE4后，磷酸化Tau蛋白的水平下降了81%，含有纤维缠结的神经元数量也明显降低了（P=0.0103）。

通过在小鼠右侧海马注射表达P301S突变Tau蛋白的慢病毒载体，研究者们观察到表达APOE4的小鼠左侧海马Tau蛋白病理阳性的神经元数量增加，在神经元内敲除APOE4后有明显改善（P 0.0001）。说明APOE4在Tau蛋白异常磷酸化，Tau蛋白聚集，和Tau蛋白在神经元间传播过程中全部发挥了作用。

图a，b: PS19-fE4小鼠中磷酸化Tau和神经纤维缠结较PS19-fE3小鼠明显增加，在神经元中敲除APOE4后下降。图c，d：在右侧海马注射P301S Tau表达载体后，fE4小鼠左侧海马人源性Tau蛋白和磷酸化Tau蛋白均高于敲除组。图e.f：APOE4存在时海马中不可溶性磷酸化Tau蛋白增加。

Tau蛋白病理与AD的进展密切相关，那么，如果在神经元内特异性敲除APOE4是否能改变这一进程呢？

研究者们对此一一进行了解答。首先，研究发现PS19-fE4小鼠海马区发生了神经退行性改变,这一组小鼠的海马体积显著缩小，海马CA1区和齿状回的厚度明显变薄，神经元凋亡标志物Caspase-3剪切体表达明显升高（P 0.0001），这说明神经元出现了严重的死亡情况。

而PS19-fE3，PS19-fE3/Syn1-Cre和PS19-fE4/Syn1-Cre三组小鼠均未出现明显的神经元死亡情况，说明上述神经退行性改变是由于APOE4存在引起的。

图a，b: PS19-fE4小鼠海马体积减小，齿状回厚度降低，敲除神经元APOE4后恢复。图c，d：PS19-fE4小鼠海马出现神经脱髓鞘改变和神经元过度兴奋，敲除神经元APOE4后恢复。

在髓鞘损伤的检测中也有类似的发现。

研究人员检测了PS19-fE4小鼠海马区髓鞘损伤情况和髓鞘修复情况。结果发现APOE4存在的情况下小鼠髓鞘受损严重。在海马区特异性敲除APOE4后，髓鞘受损情况和损伤修复情况均恢复到了与PS19-fE3小鼠相似的水平。

除此之外，研究者们还发现与PS19-fE3小鼠相比，PS19-fE4小鼠CA1-CA3环路过度兴奋，小胶质细胞和星形胶质细胞明显激活。APOE4敲除后这两种现象都得到了缓解。

由此可见，神经元内APOE4的敲除减缓了Tau蛋白病理状态下的神经元死亡、神经系统脱髓鞘改变和神经元功能的改变。

通过上述结果，我们不难发现，神经元内APOE4的存在不仅影响了神经元本身，还影响了胶质细胞。那么在整个海马区域，是不是所有细胞都受到了这种影响，共同推动了神经退行性改变的进展呢？

接下来的实验中，研究者们对PS19-fE3，PS19-fE4，PS19-fE4/Syn1-Cre三组小鼠海马区的细胞进行了单细胞核转录组分析，根据不同的细胞标记基因表达水平变化，将整个海马区的细胞分成了34个类群。

根据每群细胞在三组小鼠中数量占比的不同，研究者们将在PS19-fE4小鼠中显著增加的细胞群定义为神经元APOE4介导的疾病相关(nE4-DA)细胞群。

图a: 单细胞核转录组分析将海马细胞分为34个亚群。图b: 三组小鼠中不同亚群细胞中APOE表达情况。图c：疾病相关神经元中高表达和低表达的基因。图d：PS19-fE4/Syn1-Cre小鼠与PS19-fE4小鼠相比疾病相关神经元中基因表达的变化情况。

在对这些特殊细胞群进行基因表达分析时，研究人员有了令人兴奋的发现。

不论什么种类的细胞中，nE4-DA细胞群均高表达Hspa8，Hsp90aa1，Hsp90ab1，Calm1，Calm2，Nrgn和Ubb这几种基因。

不仅如此，通过对PS19-fE4/Syn1-Cre小鼠的nE4-DA细胞群进行分析，研究者们发现清除神经元中的APOE4基因后，上述基因表达量降低了。这说明APOE4的清除不仅改变了nE4-DA细胞群的数量，还改变了nE4-DA细胞群的基因表达。这些在APOE4存在情况下高表达的基因，可能就是解开APOE4致病机制之谜的关键。

总的来说，本研究重点关注了神经元中APOE4对Tau蛋白病理的推动作用，发现神经元中特异性敲除APOE4可以使海马中的病理性Tau蛋白含量下降81%。尽管神经元中的APOE4如何介导其它细胞的病理变化还有待探索，但本文已经为我们提供了很有利的证据。如果能够找到安全稳定的方法特异性敲除神经元中的APOE4基因，也许能够降低这类人群的患病风险。

参考文献：

[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

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