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。
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）。
图1.肝表达的apoE3和apoE4对脑认知和突触功能的相反影响之后，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。
图2.受损的脑血管完整性和星型胶质细胞增生与肝特异性表达apoE4相关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）。
图3.血管富集的scRNA-seq显示降低的星形胶质细胞终足以及增加的免疫反应与肝特异性表达apoE4相关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）。
图4.与肝特异性表达的apoE4相关的脑内皮细胞转录组特征
图5.ApoE亚型特异性改变血浆蛋白网络及与血管相关通路的关联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。
图6.ApoE3和apoE4年轻小鼠的血浆对老年小鼠脑血管完整性和认知功能的不同影响为了验证这一观点，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）。
图7.年轻血浆中ApoE亚型特异性对人类内皮细胞屏障完整性和转录组特征的影响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）。
图8.肝表达的apoE3和apoE4对Aβ沉积以及相关的神经炎症相反的影响结 论
