APOE4通过破坏抗氧化和线粒体自噬信号通路，损害Nrf2-PINK1/Parkin依赖的线粒体清除机制

《Franklin Open》：APOE4 impairs Nrf2-PINK1/Parkin-dependent mitochondrial clearance through disrupted antioxidant and mitophagy signaling

APOE4通过削弱Nrf2-PINK1/Parkin轴导致神经元线粒体质量控制缺陷，引发氧化应激和神经退行性变，激活该通路可恢复线粒体功能并作为AD治疗靶点。

　　

Firoz Akhter|Asma Akhter|Donghui Zhu

美国纽约州石溪大学生物医学工程系，邮编11794

摘要

APOE4是散发性阿尔茨海默病（AD）最强的遗传风险因素，与线粒体功能障碍密切相关，但其机制尚未完全明确。我们发现APOE4神经元中存在一个先前未被识别的Nrf2-PINK1/Parkin轴的缺陷，这会损害线粒体的质量控制能力。与APOE3不同，APOE4神经元在受到压力时无法激活依赖PINK1/Parkin的线粒体自噬过程，而这种缺陷又因Nrf2信号传导受损和抗氧化防御能力减弱而加剧。在体内实验中，APOE4小鼠表现出这条通路随年龄增长的逐渐失效，这与线粒体功能障碍的进展和线粒体-核通讯的紊乱有关。通过药物激活Nrf2或PINK1可以恢复线粒体的清除功能，表明该通路是一个具有治疗潜力的靶点。这些发现为APOE4与线粒体功能障碍之间的机制联系提供了证据，并确立了Nrf2-PINK1/Parkin通路作为神经退行性病变的关键驱动因素以及AD治疗的有希望的目标。

引言

APOE4是三种主要的人类载脂蛋白E异构体（APOE2、3和4）之一，是散发性阿尔茨海默病最强的遗传风险因素[1,2]。携带APOE4等位基因的人比携带APOE3等位基因的人表现出更强的氧化应激、脂质和线粒体代谢紊乱以及更快的神经退行性病变[3]。

线粒体在细胞能量产生、氧化还原平衡、钙稳态和凋亡信号传导中起着核心作用，对神经细胞的功能和存活至关重要。其功能障碍是阿尔茨海默病的典型特征，会导致突触功能障碍、氧化损伤和进行性神经退行性病变[4][5][6]。特别是在携带APOE4等位基因的人群中，这种损伤更为明显，他们是晚发性阿尔茨海默病的最强遗传风险因素，其线粒体功能障碍更为严重，表现为氧化应激增加、代谢过程紊乱以及对神经元损伤的敏感性增强[7,8]。线粒体质量控制能力的受损是导致这些异常的关键因素，而这种细胞机制在应激条件下对于维持线粒体完整性和功能稳态至关重要[9][10][11]。

PINK1-Parkin通路是线粒体质量控制的核心，负责调节选择性清除受损线粒体的线粒体自噬过程[12][13][14]。当线粒体膜去极化时，PINK1会在线粒体外膜积累，并招募和激活E3泛素连接酶Parkin[15,16]。激活的Parkin会对线粒体表面蛋白进行泛素化，标记这些有缺陷的细胞器以便通过自噬-溶酶体系统进行降解[17]。这条通路的效率对于防止线粒体功能障碍的积累和维持细胞稳态至关重要。在阿尔茨海默病的背景下，尤其是APOE4携带者中，PINK1-Parkin信号传导的紊乱与线粒体自噬功能受损有关，从而加剧了线粒体功能障碍并推动了神经退行性病变[18]。

与线粒体自噬相辅相成的是Nrf2（核因子红细胞2相关因子2）信号通路，它是细胞抗氧化防御的主要调节器。Nrf2能够增强解毒酶和抗氧化酶（如超氧化物歧化酶SOD和谷胱甘肽GSH）的表达，从而减轻氧化损伤并支持线粒体功能[19,20]。这条通路对于维持氧化还原稳态尤为重要，尤其是在容易受到氧化应激影响的神经元中。然而，新证据表明APOE4神经元中的Nrf2信号传导受损，限制了它们对抗氧化损伤和保持线粒体健康的能力。

尽管PINK1-Parkin通路和Nrf2通路具有不同的功能，但它们之间存在着相互作用，共同影响线粒体的完整性和功能。这种相互作用的具体机制尚未完全明了，特别是在APOE4相关病理学背景下。这些通路之间的相互作用紊乱被认为会导致线粒体功能障碍、氧化损伤和神经退行性病变。阐明APOE4相关阿尔茨海默病中Nrf2-PINK1/Parkin相互作用的分子机制可能会发现新的治疗靶点，以减轻线粒体功能障碍和神经退行性病变，为这一毁灭性疾病的理解和治疗提供新的途径。

在这项研究中，我们探讨了APOE4如何破坏调控线粒体质量控制的Nrf2-PINK1/Parkin通路。在原代神经元中，使用丝裂毒素处理后发现APOE4细胞具有选择性脆弱性，其线粒体自噬依赖于Nrf2和PINK1。靶向敲低Nrf2或PINK1会进一步加剧线粒体自噬缺陷，证实了它们在维持线粒体完整性方面的协同作用。在体内实验中，3个月大的APOE3和APOE4小鼠在接受丝裂毒素处理后，仅APOE4小鼠的线粒体自噬功能受损，并伴有Nrf2-PINK1/Parkin信号传导的抑制。从3个月到15个月的纵向分析显示，APOE4小鼠的线粒体自噬能力和线粒体应激逐渐下降。通过药物激活Nrf2或PINK1可以恢复APOE4小鼠的线粒体自噬功能和线粒体质量控制。这些发现共同表明，APOE4会损害Nrf2-PINK1/Parkin之间的相互作用，导致线粒体自噬和清除功能缺陷，使这条通路成为APOE4相关神经退行性病变的关键驱动因素和潜在的治疗靶点。

部分内容摘要

动物实验

我们使用了携带人源化ApoE突变体的APOE3和APOE4敲入小鼠模型（B6.Cg-Apoeem2(APOE*)Adiuj/J, Jackson Lab #029018；B6(SJL)-Apoetm1.1(APOE*4)Adiuj/J, Jacson Lab #027894），在不同年龄（3个月、9个月和15个月）进行实验。3个月大的APOE4小鼠每天腹腔注射3-硝基丙酸（3-NP，剂量为20 mg/kg体重；含有10% DMSO、40% PEG300、5% Tween-80和45%生理盐水的混合液HY-W012875，MCE），持续4天。13个月大的APOE4小鼠同样接受注射。

罗通酮诱导的APOE4神经元线粒体功能障碍和线粒体自噬受损

罗通酮会引发线粒体功能障碍，导致ATP生成减少、氧化应激增加以及线粒体完整性受损，从而激活补偿性的线粒体自噬通路以维持细胞稳态[24,25]。为了评估线粒体病理与APOE3/4神经元之间的关系，我们将原代APOE3和APOE4神经元暴露于罗通酮（一种强效的线粒体复合物I抑制剂）或溶剂作为对照。

讨论

受损线粒体的积累是阿尔茨海默病（AD）的一个标志性特征，会加剧氧化应激并导致神经功能障碍的进展[21]。在这种情况下，通过线粒体自噬等质量控制机制维持线粒体完整性至关重要，即选择性地降解有缺陷的线粒体。PINK1/Parkin通路是线粒体自噬的关键调节器，有助于识别和清除受损线粒体[12]。

CRediT作者贡献声明

Firoz Akhter：负责撰写、审稿和编辑；撰写初稿；进行实验研究；进行数据分析；提出研究概念。

Asma Akhter：负责撰写、审稿和编辑；撰写初稿；进行数据分析。

Donghui Zhu：负责监督整个研究过程。

利益冲突

D. Zhu是Summit生命科学研究所的科学顾问。

致谢

本研究部分得到了美国国立卫生研究院（NIH）的支持，资助编号分别为：NIDDK R01DK129493、NIA R01AG064798和NHLBI R01HL140562。内容仅代表作者个人观点，不一定代表NIH的官方立场。我们感谢石溪大学Renaissance医学院的中央显微镜成像中心（CMIC）和流式细胞术研究设施提供的帮助，包括使用共聚焦显微镜和FACS设备。