阿尔茨海默病(AD)的主要病理改变是淀粉样蛋白(Aβ)的累积。载脂蛋白E(apoE)分为ε4/3/2 三种亚型,在中枢神经系统(CNS)和外周都会表达。之前的研究显示apoE ε4是AD的显著危险因子。然而由于apoE在CNS和外周都有表达,因此很难判断外周apoE亚型对CNS功能和AD发病机理的独特作用。
Bu教授团队据此进行了相关的研究,并将其成果“Peripheral apoE4 enhances Alzheimer’s pathology and impairs cognition by compromising cerebrovascular function”于2022年8月发表于Nature Neuroscience杂志。
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1.不同的外周apoE亚型对脑功能的影响不同,外周apoE4损伤脑血管功能
该团队首先在Apoe敲除背景下构建出肝特异性表达人类apoE3(iE3/Cre+)和apoE4(iE4/Cre+)小鼠,确保其只在肝内表达apoE3和apoE4,并且将其分泌到血液中(图1.a-g)。他们对iE3和iE4小鼠的认知行为(场景/提示恐惧实验)以及学习记忆相关的电生理(长时程增强(LTP))进行检测,发现iE3小鼠的社交行为增强,LTP增强,而iE4小鼠的记忆功能损伤,LTP降低(图1.h-k)。
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之后,他们探究iE4小鼠的脑血管功能,结果显示,iE4小鼠的BBB渗漏明显增加,血浆蛋白也渗透到脑内,脑动脉的脑血流速度(CBF)明显降低,动脉血管舒张的频率降低,振幅升高,血管分支的数量减少(图2.a-f)。
此外,发现iE4小鼠出现明显的星形胶质细胞增生(图2.g)。iE4大脑的RNA-seq数据分析显示iE4的B细胞凋亡途径和内切酶活性上调,而细胞外基质、基膜、胶原蛋白和整合素途径下调(图2.h),这与iE4脑内胶原蛋白IV减少(图2.i,j)相符合。
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2.外周apoE4促进内皮细胞的免疫反应以及增加血管相关的胶质增生
之后,该团队将iE3和iE4小鼠脑内的血管相关细胞群分离,进行scRNA-seq分析,发现iE4来源的星形胶质细胞的固有免疫(Cxcl14, Cst3, Ly6c1,Ly6a)、抗原加工(H2-K1,Psmc6),血管内皮生长因子信号(Vegfa,Flt1),基质重塑和迁移(Vwa1, Mgp, Spock2),氧化应激(Hspb1, Selenop),转化生长因子-β信号(Bmpr2, Ltbp4)基因上调,而协调突触功能(Gpc4),能量稳态(Atp2a2, Slc1a4)以及星形胶质细胞终足(Aqp4)的基因则下调,且AQP4蛋白(星形胶质细胞终足的标志物)在iE4小鼠中表达明显降低(图3)。
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iE4来源的内皮细胞的介导免疫反应(Ccl27a, Dusp1, Gkn3, Csf1,Cxcl12),抗原呈递(H2-Q7, H2-T23, Tapbp),细胞增值(Pdgfra)以及低氧/压力反应(Hspa1a, Hspa1b, Hsp90aa1)的基因上调,且iE4小鼠Cxcl12 、Gkn3蛋白表达增加,Vwf蛋白表达减低(图4)。此外,蛋白质组学也发现类似的结果(图5)。
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3.不同apoE亚型的年轻小鼠的血浆对老年小鼠产生的效果不同
该团队将年轻iE3和iE4小鼠的血浆注入到老年WT鼠中,发现iE3来源的血浆改善了老年鼠的认知功能以及BBB功能障碍,降低了血管相关的星形胶质细胞和小胶质细胞增生,增加了AQP4的表达,而注射iE4来源的血浆的老年鼠除了加重BBB渗漏以外,其余和WT没有显著区别(图6),这可能是因为apoE4消除了年轻血浆对老年鼠的有益作用。
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为了验证这一观点,该团队构建了一个iPSC来源的大脑微血管内皮细胞(BMECs),用iE3和iE4来源的血浆处理它,发现iE3处理的细胞的跨内皮细胞电阻(代表内皮连接的紧密度)明显增加,iE4则降低。对这些细胞进行RNA-seq分析和GO富集分析,发现Timp3与iE3密切相关,因此后续将Timp3与年轻iE4来源的血浆共同处理BMECs,发现其可以逆转iE4的负性作用(图7)。
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4.不同外周apoE亚型对脑Aβ的作用
为了探究外周apoE亚型对脑内Aβ沉积的影响,该团队在apoe敲除的背景下将iE3和iE4小鼠和APP/PS1小鼠(AD模型鼠)杂交,发现APP/iE3小鼠的Aβ沉积减少,可溶性和不可溶性的Aβ40和42减少,突触相关的PSD95增加,星形胶质细胞增生减少,而APP/iE4小鼠的改变则与APP/iE3相反(图8)。
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结 论
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