清华大学药学院鲁白团队开发新的人源性阿尔茨海默病类脑器官模型并揭示APOE3ch突变对AD的保护性作用

　　

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清华大学药学院鲁白团队：

新的人源性阿尔茨海默病类脑器官模型并揭示APOE3ch突变对AD的保护性作用

01 背景提要

阿尔茨海默病（AD）是一种神经退行性疾病，表现为认知功能减退以及行为与性格改变。AD具有遗传倾向，致病基因的罕见突变会直接导致常染色体显性遗传AD的发生，如APP（β-淀粉样蛋白前体）基因、PSEN1（早老素1）基因和PSEN2（早老素2）基因等。在病理层面，细胞外的β-淀粉样蛋白（Aβ）斑块沉积与细胞内的tau蛋白纤维缠结是AD的两大主要病理特征【1】。通过遗传学研究，可以解析导致AD的关键基因以及这些基因在 AD疾病发展中的作用，对于理解AD的发病机制和开发治疗策略具有重要意义。

载脂蛋白 E (APOE) 基因多态性是散发性AD发生的主要遗传风险因素，与常见的 APOE 变体（variant）APOE*ε3相比，APOE*ε4 等位基因会导致罹患 AD 的风险大大增加，而APOE*ε2 等位基因会降低 AD风险【2】。在世界上最大的阿尔茨海默病常染色体显性遗传家系中，有一位PSEN1 E280A携带者的认知减退发生年龄推迟近30年，且脑中tau蛋白病理显著降低。全外显子测序数据揭示APOE3的罕见纯合突变 APOE3 Christchurch（APOE3ch，R136S）是AD的潜在保护性因素。虽然APOE3ch突变的发现为AD 的病生理机制研究提供了全新视角，但是APOE3ch突变极为罕见使其无法在人源性样本中进行机制研究。

02 研究成果

2024年4月12日，清华大学鲁白实验室在 Cell Research 杂志发表了题为APOE3ch alleviates Aβ and tau pathology and neurodegeneration in the human APP^NL-G-Fcerebral organoid model of Alzheimer’s disease的文章。

       

作者通过敲入APP基因致病性突变而建立了AD人源性类脑器官模型。该模型在时间维度依次呈现AD的关键病理特征，包括Aβ沉积、tau病理性变化、星形胶质细胞增生和神经元死亡，为研究AD 发生发展机制和开发潜在的治疗靶点提供了重要工具。此外，作者使用该AD类脑器官模型揭示了载脂蛋白E基因APOE3ch突变对AD病理过程和神经退行性变化的保护作用（图1）。

       

图1. APP^NL-G-F人源性类脑器官模型在时间维度依次呈现AD关键病理特征。

03 研究内容

作者首先结合之前开发AD大鼠模型的经验【3】，通过CRISPR-Cas9基因编辑将APP基因的3种家族遗传性致病突变引入人类H1胚胎干细胞（hESCs）中，证实了hESCs中发生了APP^NL-G-F的纯合突变，并诱导分化为前脑类脑器官模型。作者在不同时间点检查了APP^NL-G-F类脑器官模型的AD病理学特征，发现APP^NL-G-F类脑器官Aβ₄₂沉积显著增加，tau 蛋白聚集增多，伴随星状胶质细胞增生。除了显著的AD病理学特征外，APP^NL-G-F类器官中出现明显的细胞凋亡和坏死。

建立了人源性APP^NL-G-F类脑器官模型后，作者利用该模型探究了APOE3ch对AD病理性变化和神经元死亡的潜在保护作用。通过CRISPR-Cas9基因编辑将APOE3ch敲入APP^NL-G-FhESCs的基因组中，建立了表达APOE3（APP^NL-G-F:APOE3）或APOE3ch（APP^NL-G-F:APOE3ch）的AD类脑器官模型。作者利用上述类脑器官模型发现APOE3ch的表达显著降低了Aβ沉积，且减少了tau蛋白磷酸化和异常折叠。不仅如此， APOE3ch的表达有效缓解了APP^NL-G-F类脑器官表现出的星状胶质增生和神经元死亡表型。可见，APOE3ch对于AD病理过程和神经退行性改变有显著的保护作用。

综上所述，本研究开发了一种新的人源性AD类脑器官模型（APP^NL-G-F），该模型能在较短时间内高度模拟AD患者脑中出现的病理性改变及神经元死亡等特征。利用这一模型，作者证明了APOE3ch 罕见突变对AD病理和神经退行性变的保护作用，为研究APOE3ch的生物学特点及其缓解AD的细胞和分子机制提供了新的工具。

值得一提的是，近期有两篇APOE3ch相关论文发表【4，5】。在Cell发表的研究中，Chen等构建了人源APOE3ch knock-in小鼠品系，将其与基于Aβ的APP/PS1小鼠杂交后发现，通过上调小胶质细胞的吞噬作用，APOE3ch缓解了X34+Aβ纤维聚集（非Aβ寡聚体），以及Aβ相关的tau病理特征（Cell | 揭秘首例遗传性阿尔茨海默病保护性突变——单基因突变如何延缓认知衰退30年？）【4】。在Nature Neuroscience发表的研究中，Nelson等将APOE3ch knock-in到APOE4小鼠中，将其与tau转基因小鼠PS19杂交后发现，纯合APOE3ch解救了APOE4驱动的tau病理和星形胶质增生等表型【5】。

除了与这两项研究同样证明了APOE3ch对AD病理性变化的保护作用之外，本研究还有几点重要贡献。首先，与上述两项研究不同的是本研究使用的是完全人源化的类脑器官系统。第二，APP^NL-G-F类脑器官模型是基于敲入而不是致病基因突变的过表达系统，因此避免了由于转基因表达引起的潜在非生理表型。此外，本研究开发的APP^NL-G-F类脑器官模型出现了Aβ和tau病理特征、星形胶质增生以及神经元的凋亡和坏死，这些特征在APP/PS1小鼠或PS19转基因小鼠中难以全部重现，避免了小鼠模型的局限性，也突显了本研究开发新的人源性 AD 类脑器官模型的重要意义。相信未来研究中APP^NL-G-F人源性AD 类脑器官模型会在揭示 AD 发病机制以及APOE3ch的保护机制中发挥显著优势。

致谢

清华大学药学院刘航、北京大学医学部梅帆为该论文的共同第一作者。清华大学药学院鲁白教授、北京大学医学部梅帆为该论文共同通讯作者。药学院叶荣荣、韩新宇、王书丹、丁衍、支赟、逄克亮、郭炜为该工作做出了重要贡献。感谢国家自然科学基金、人脑保护高精尖中心、北京智源人工智能研究院，北京市自然科学基金的资助。

参考文献：

1. Frisoni, G. B. et al. The probabilistic model of Alzheimer disease: the amyloid hypothesis revised. Nat Rev Neurosci 23, 53-66, doi:10.1038/s41583-021-00533-w (2022).
2. Yamazaki, Y., Zhao, N., Caulfield, T. R., Liu, C. C. & Bu, G. Apolipoprotein E and Alzheimer disease: pathobiology and targeting strategies. Nat Rev Neurol 15, 501-518, doi:10.1038/s41582-019-0228-7 (2019).
3. Pang, K. et al. An App knock-in rat model for Alzheimer's disease exhibiting Abeta and tau pathologies, neuronal death and cognitive impairments. Cell Res 32, 157-175, doi:10.1038/s41422-021-00582-x (2022).
4. Chen, Y. et al. APOE3ch alters microglial response and suppresses Abeta-induced tau seeding and spread. Cell 187, 428-445 e420, doi:10.1016/j.cell.2023.11.029 (2024).
5. Nelson, M. R. et al. The APOE-R136S mutation protects against APOE4-driven Tau pathology, neurodegeneration and neuroinflammation. Nat Neurosci 26, 2104-2121, doi:10.1038/s41593-023-01480-8 (2023).  

             

     

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原文链接：https://www.nature.com/articles/s41422-024-00957-w