APOE基因和老年癡呆癥的探討（一）

       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，大約20-30%的人群攜帶E4變異。攜帶E4變異的患者癥狀出現(xiàn)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(jié)實。本文通過解析已知的實驗證據(jù)，探討E4變異對apoE蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的影響，以及這些變化如何導(dǎo)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，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發(fā)，臨床實驗結(jié)果都以失敗告終。

       第一部分：APOE基因E4突變是迄今發(fā)現(xiàn)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），俗稱老年癡呆癥可能是最后一個完全無藥可治的大病種，也是全球各藥企最大的念想。過去30年針對老年癡呆癥的新藥開發(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。很多人開始紛紛拋棄淀粉樣蛋白假說（amyloid beta hypothesis), 取而代之的是更時髦但機理尚且模糊的新概念。然而，在進軍任何新靶點之前，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，并且隨著腦細胞死亡，大腦嚴重萎縮。淀粉樣蛋白假說曾經(jīng)是主流公認的老年癡呆癥致病機制。這一假說認為，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(jù)于這一假設(shè)的藥物設(shè)計在臨床實驗中都以失敗告終。

       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(shù)很少，約占老年癡呆癥病人總數(shù)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。這三個基因上的某些突變會導(dǎo)致淀粉樣蛋白過量產(chǎn)生。以上三個基因的致病機理為淀粉樣蛋白假說提供了堅實依據(jù)。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(fù)雜疾?。╬olygenic complex disease)。也就是說單個基因突變不能決定是否會得病，而是多個遺傳因素互相加和或消減，同時又受性別年齡，飲食結(jié)構(gòu)和生活習(xí)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藥可治的可怕疾病，但事實上，只那些沒有早早死于癌癥，心臟病，腦中風(fēng)和其他致命疾病的幸運者，才有機會經(jīng)歷這種病。你越長壽，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(xiàn)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)病時間較早，癥情惡化得也更快，而且病理觀察還發(fā)現(xiàn)，有E4變異的病人比沒有E4變異的病人腦中的淀粉樣蛋白斑塊更多更大。

       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，其中至少二十幾個基因有很肯定的分子生物學(xué)機制。有的變異會減弱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基因編碼一個稱為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分子相互嵌合形成脂蛋白微粒，協(xié)助油脂類分子在水相運輸，并通過與細胞表面的受體相結(jié)合將油脂分子轉(zhuǎn)運進入目標(biāo)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)。通過脂蛋白微粒運輸?shù)挠椭惙肿影ǜ视腿懝檀?，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。

       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，高膽固醇飲食會誘導(dǎo)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，通過淋巴管進入血液，在餐后濃度達到最高。乳糜微粒隨著血液在身體中循環(huán)，經(jīng)過肌肉，肝 臟和脂肪等組織時，相嵌在這些組織細胞表面的脂蛋白脂酶（lipoprotein lipase, LPL)就會將乳糜微粒上的甘油三脂“收割“下來，并吸收進入組織細胞。隨著甘油三脂被“收割“，微粒越變越小，最后主要剩下膽固醇分子，稱乳糜微粒殘體。這時apoE與富含膽固醇的殘體相嵌合，負責(zé)將殘體及其所攜帶的膽因醇轉(zhuǎn)運進入肝 臟和其他需要膽固醇的目標(biāo)組織?？梢?，APOE是一個與飲食非常相關(guān)的基因。

       身體中的膽固醇有兩個來源，一個來源于食物，一個來源于肝 臟的自主合成(de novo biosynthesis)。富含膽固醇的食物包括禽蛋類，奶制品，魚蝦海鮮和動物內(nèi)臟。當(dāng)從食物中攝取的膽固醇不足時，就沒有足夠的膽固醇轉(zhuǎn)運進入肝細胞，肝 臟就會啟動自主合成來補充身體所需。肝 臟合成的膽固醇包裝在VLDL脂蛋白微粒里進入血液。VLDL是我們通常說的“壞膽固醇”LDL的前體。apoE通過與VLDL嵌合參與肝 臟膽固醇的合成和分泌。此外，apoE還會與一類HDL脂蛋白微粒結(jié)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(zhuǎn)運進入肝細胞進行再利用或消毀。APOE基因的E4變異也會增加心血管病的風(fēng)險，但遠沒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(dǎo)的內(nèi)飲機制（receptor-mediated endocytosis)將膽固醇等油脂分子轉(zhuǎn)運進入目標(biāo)組織。表達apoE受體的組織是那些需要”進口”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”，具有最多的受體，用于調(diào)度和平衡膽固醇的”進貨“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是都具有一個或多個帶負電荷胺基酸的脂蛋白結(jié)合區(qū)域，正好可以與脂蛋白上帶正電荷胺基酸的受體結(jié)合區(qū)域相親合。這些受體不是專一接收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就是我們通常說的”壞膽固醇”。apoB上也有一個與apoE相似的帶正電荷胺基酸區(qū)域用于與受體結(jié)合。LDLR基因缺陷和APOB受體結(jié)合區(qū)域變異都會導(dǎo)致家族性高膽固醇癥（familial hypercholesterolemia)。而APOE受體結(jié)合區(qū)域變異會導(dǎo)致家族性三型高血脂癥(familial type III hyperlipidemia)。

       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(tǒng)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(zhuǎn)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(fù)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)，不過沒有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(zé)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。這些觀察指向，大腦中參與膽固醇轉(zhuǎn)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(zé)神經(jīng)細胞的營養(yǎng)供應(yīng)，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入大腦?？梢娔懝檀紝Υ竽X神經(jīng)系統(tǒng)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(jié)合, 從而將膽固醇等營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)運進入神經(jīng)細胞。當(dāng)神經(jīng)細胞受損需要修復(fù)時，對膽固醇的需求就會增加。如果沒有得到足夠的供運，就會啟動神經(jīng)細胞內(nèi)部的膽固醇自主合成，這一過程會伴隨產(chǎn)生更多的淀粉樣蛋白。有實驗觀察顯示，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(yīng)可能不足。同時，帶有E4變異的神經(jīng)細胞，在有壓力的情況下，會生產(chǎn)更多易聚合的AB短肽。

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