Cell揭秘：阿尔兹海默病遗传最重要的风险因素_风闻

阿尔茨海默病（AD）是一种起病隐匿的进行性发展的神经系统退行性疾病。临床上以记忆障碍、失语、失用、失认、视空间技能损害、执行功能障碍以及人格和行为改变等全面性痴呆表现为特征，病因迄今未明。65岁以前发病者，称早老性痴呆；65岁以后发病者称老年性痴呆。

AD其特征是广泛的神经变性，胶质增生和淀粉样-β（Aβ）斑块和tau蛋白神经纤维缠结。从研究来看，该病的可能因素和假说众多，反映了复杂的遗传和环境病因。绝大部分的流行病学研究提示，家族史是该病的危险因素。最近通过基因定位研究，发现脑内淀粉样蛋白的病理基因位于第21对染色体。

与AD有关的遗传学位点，已知的至少有以下4个：早发型AD基因座分别位于2l、14、1号染色体。相应的可能致病基因为APP、S182和STM-2基因。迟发型AD基因座位于19号染色体，可能致病基因为载脂蛋白E（APOE）基因。载脂蛋白E ε4（APOE4）是AD最强的遗传危险因素，除非洲人的APOE4相关AD风险较低外，APOE4使欧洲人和东亚人的AD风险分别增加15倍及15倍以上。但是作为AD最强的危险因素，APOE4如何影响人脑细胞功能以及机制尚不清楚。

近日，来自美国纽约西奈山伊坎医学院遗传学和基因组科学系的研究团队在Cell 杂志在线发表了题为“Cholesterol and matrisome pathways dysregulated in astrocytes and microglia”的研究，该研究揭示了APOE4驱动星形胶质细胞和小胶质细胞脂代谢失调，从而使得APOE4引发神经胶质细胞特异性细胞和非细胞自主失调，从而导致AD风险增加。这项研究从代谢的角度揭示了APOE4的作用机制，为理解AD发病提供新的视角。

研究者们首先评估APOE4对人类脑细胞类型的影响，分析了APOE4对人群和同基因人类诱导多能干细胞(HiPSCs)、死后的脑组织和APOE靶向替换(APOE-TR)小鼠脑细胞类型的影响。

人群和等位基因模型表明，APOE4局部单倍型，而不是单一的风险等位基因，是导致风险的因素。作者分析了13个人群hiPSC系（6个APOE 44和7个APOE 33），确认APOE4是AD遗传风险评分（GRS）的主要影响因素。通过1000G单倍型频率，作者定义了常见（hap.01-23）和稀有（hap.other）单倍型，识别了8个常见单倍型和 11个稀有单倍型。APOE4发生在7个独特的单倍型上，而APOE3发生在12个不同的单倍型上。通过RNA测序获得的转录本主成分分析(PCA)和Spearman相关性显示，样本按细胞类型聚集，而不是按APOE基因型区分。

在iPSC重编程后，hiPSC分化为四种细胞类型：小胶质细胞、星形胶质细胞、混合皮质培养物、BMECs。接着，作者对每种细胞类型进行了差异表达基因(DEG)分析，发现星形胶质细胞中的DEGs > 小胶质细胞 > 混合皮质培养物，表明小胶质细胞和星形胶质细胞是受固有APOE基因影响的主要细胞类型。

随后基因集富集分析显示小胶质细胞和星形胶质细胞中最显著的上调基因集是胆固醇生物合成和其他脂质途径。在小胶质细胞中，下调基因集包括高密度脂蛋白(HDLI)介导的脂质运输、通用转录途径和溶酶体。因此， APOE4与较高的胆固醇合成和较低的分解代谢/外排相关，APOE4小胶质细胞和星形胶质细胞中胞内胆固醇水平发生改变。

随后，作者发现APOE4 AD星形胶质细胞显示出与APOE4 hiPSC混合皮质培养物相同的基质组相关模块，例如上调的趋化性、炎症和脂质合成。在APOE4 hiPSC混合皮质培养物和AD脑中均发现了由星形胶质细胞驱动的基质组，其与神经胶质细胞迁移、炎症和脂质合成有关。所有脑区的ECM、趋化因子和细胞因子信号通路在APOE4小胶质细胞中均呈阳性富集。

更为有趣的是，研究者通过转录组学对APOE4、APOE3、Apoe KO和Apoe野生型(WT)的小鼠新生小胶质细胞和星形胶质细胞进行分析，发现APOE基因座附近的调控机制或结构在物种之间存在差异。小鼠Apoe和人APOE两者在功能上不一样，脂质代谢失调是人特异性的。

其中，与APOE3相比，APOE4星形胶质细胞中胞内游离胆固醇显著增加。因果网络分析显示，SREBF2、SCAP和HMGCR在APOE4星形胶质细胞和小胶质细胞中激活，表明APOE4星形胶质细胞中的胞内胆固醇升高，胆固醇的从头合成也增加。同时，APOE4和脂质转运蛋白的减少导致胆固醇流出减少。这些数据表明，APOE4 星形胶质细胞和小胶质细胞中的胆固醇运转受损，LXR激动剂可逆转解偶的脂质代谢，但对不同细胞类型反应不同。

进一步研究发现，肌动蛋白细胞骨架的调节是转录组学中最显著和负富集的基因组之一， APOE4星形胶质细胞的肌动蛋白细胞骨架失调与外部脂质暴露无关，但混合皮质培养物的去卷积星形胶质细胞与纯星形胶质细胞高度相关（95%–97%）。表明星形胶质细胞-神经元通讯驱动星形胶质细胞基质体信号，基质体则加剧APOE4星形胶质细胞的脂质失调。

这项研究中，作者在hiPSC模型，AD患者的脑组织和APOE-TR小鼠证明了APOE4基因在人类当中的独特作用，揭示了APOE4共同驱动星形胶质细胞中的溶酶体胆固醇螯合，减少了胞质内游离的胆固醇，从而通过增加胆固醇生物合成和减少外排导致脂质失调。促炎基质组失调至少部分是由APOE4星形胶质细胞-神经元通讯引起的，并恶化脂质失调，包括胆固醇生物合成和外排。提示在APOE4携带者中，恢复神经胶质脂质稳态和炎症的治疗方法可能对AD患者有益。从全新的角度解释了APOE4在AD中的作用机制，为治疗提供新的策略。

参考文献：

Cell. 2022 Jun 23;185(13):2213-2233.e25.doi: 10.1016/j.cell.2022.05.017.

Cholesterol and matrisome pathways dysregulated in astrocytes and microglia      来源于公众号：生物谷