APOE4驱动大脑生物能量转换独立于阿尔茨海默病病理

《npj Dementia》：APOE4-drives brain bioenergetic shifts independent of Alzheimer’s disease pathology

　　

载脂蛋白E（APOE）遗传变异是阿尔茨海默病（AD）最强的遗传风险因素。先前关于APOE基因型依赖性变化的研究主要集中在β-淀粉样蛋白（Aβ）聚集和脂质代谢。目前对代谢功能与APOE遗传变异之间关系的兴趣日益增加。研究人员检测了APOE基因型如何影响年轻APOE3和APOE4靶向替换（TR）小鼠的大脑代谢。此外，研究人员利用诱导多能干细胞（iPSC）来源的星形胶质细胞和神经元检测了细胞类型特异性差异。研究人员发现了大脑代谢的性别和APOE基因型依赖性变化，其中APOE4小鼠表现出代谢应激迹象。通过蛋白质组学和稳定同位素示踪，研究人员发现APOE4 iAstrocytes（诱导多能干细胞来源的星形胶质细胞）和iNeurons（诱导多能干细胞来源的神经元）表现出线粒体功能障碍、改变的柠檬酸循环（TCA循环），以及从氧化代谢向糖酵解的代谢转换。综上所述，这些数据表明APOE4会导致中枢神经系统内代谢的早期改变，这对预防AD的早期干预具有重要意义。这些代谢改变可能导致了APOE4细胞中观察到的炎症变化，将紊乱的能量代谢与大脑中的免疫激活联系起来。虽然本研究确立了APOE基因型与失调的生物能量学之间的关系，但仍需要进一步研究来探究其潜在机制。

**论文解读：APOE4独立于AD病理驱动大脑生物能量转换的机制研究**

**一、 研究背景与意义**

阿尔茨海默病（AD）是一种严重的神经退行性疾病，影响着全球数百万人的健康。载脂蛋白E（APOE）基因的遗传变异，特别是ε4等位基因（APOE4），是晚发性AD（LOAD）最主要的遗传风险因素。传统上，APOE4的风险作用被归因于其促进β-淀粉样蛋白（Aβ）沉积和影响脂质代谢的能力。然而，越来越多的证据表明，APOE4可能通过独立于Aβ病理的机制，特别是通过影响大脑能量代谢，来增加AD风险。

目前存在的问题在于，尽管已知轻度认知障碍（MCI）和AD患者在疾病症状出现多年前就表现出大脑能量代谢缺陷，并且APOE遗传变异可以影响这些代谢变化，但其具体的细胞和分子机制尚不清楚。尤其是在疾病早期，APOE4如何影响不同脑细胞类型（如星形胶质细胞和神经元）的代谢功能，以及是否存在性别差异，是研究领域的空白。理解APOE4驱动的早期代谢紊乱，对于揭示AD发病机制和开发早期干预策略至关重要。

为此，研究人员在《npj Dementia》上发表了一项综合性研究，旨在阐明APOE基因型对大脑健康和代谢功能的影响，特别是在缺乏Aβ和tau病理的背景下。该研究采用了体内小鼠模型和体外人源细胞模型相结合的策略，系统评估了APOE4引起的生物能量学改变。

**二、 主要技术方法概述**

本研究综合运用了体内和体外模型以及多组学技术。体内研究使用了4月龄雄性和雌性APOE3或APOE4靶向替换（TR）小鼠（样本来源于Taconic Biosciences），进行了全脑及分离线粒体的蛋白质组学分析，并利用Oroboros O2k仪检测了线粒体呼吸功能。体外研究则利用CRISPR-Cas9基因编辑获得的两对等基因人诱导多能干细胞（iPSC）系，分化为星形胶质细胞（iAstrocytes）和神经元（iNeurons）。对这些细胞进行了蛋白质组学、线粒体功能分析（包括线粒体应激测试、电子传递链通量）、糖酵解功能评估（糖酵解应激测试）以及燃料依赖性和容量测定。为了深入探究葡萄糖代谢途径，研究人员对iAstrocytes和iNeurons进行了[U-¹³C₆]葡萄糖稳定同位素标记的代谢组学分析。此外，还使用了包括免疫细胞化学、蛋白质印迹在内的多种分子生物学技术进行验证和机制探索。

**三、 研究结果**

**1. 年轻小鼠的全脑蛋白质组受APOE遗传变异影响**
对4月龄APOE TR小鼠的全脑蛋白质组学分析发现，APOE4小鼠（无论雌雄）的全脑APOE蛋白表达水平均降低。与APOE3小鼠相比，APOE4雌性和雄性小鼠分别有348和326个差异表达蛋白。这些差异蛋白涉及线粒体功能、生物能量学、葡萄糖代谢、炎症和蛋白质合成等多种通路。值得注意的是，APOE4引起的蛋白表达变化存在显著的性别差异。例如，雌性APOE4小鼠中线粒体功能相关蛋白（如mt-Co3， Sdhd）表达上调，而雄性APOE4小鼠则表现出与炎症（如Cfb， Gsdma）和突触发生相关蛋白的上调。通路分析进一步揭示了性别特异性的调控模式。

**2. APOE基因型改变分离脑线粒体的呼吸功能和蛋白质组**
对从全脑分离的线粒体进行呼吸功能分析发现，APOE4雄性小鼠的线粒体状态3呼吸（以丙酮酸、苹果酸和谷氨酸为底物）降低，表明电子传递链功能受损。分离线粒体的蛋白质组学显示，APOE4雌性小鼠中线粒体翻译、呼吸电子传递和氧化磷酸化通路相关蛋白下调，而APOE4雄性小鼠中这些通路的部分成分（如线粒体翻译）反而上调，提示可能存在性别特异性的代偿机制。例如，线粒体核糖体蛋白MRPS2在雄性APOE4小鼠中上调，而MRPL47和MRPS23在雌性中下调。

**3. 蛋白质组学揭示iAstrocytes和iNeurons中APOE基因型依赖的转换**
在细胞水平，APOE4 iAstrocytes的差异表达蛋白数量远多于iNeurons。APOE4 iAstrocytes中与炎症（如CD38）、疾病相关星形胶质细胞（DAA）标记物（如S100A10， S100A6）相关的蛋白表达上调，而与蛋白质运输、脂滴形成和内质网应激相关的蛋白下调。通路分析显示，APOE4 iAstrocytes中线粒体功能障碍通路上调，而氧化磷酸化相关通路下调。相比之下，APOE4 iNeurons中干扰素信号通路和抗原呈递通路上调，而胆固醇生物合成和胰岛素样生长因子信号通路下调。一个关键发现是，氧化磷酸化相关蛋白在APOE4 iAstrocytes中普遍下调，而在APOE4 iNeurons中则轻微上调，表明不同细胞类型对APOE4应激的反应存在差异。

**4. APOE遗传变异改变iAstrocytes和iNeurons的线粒体功能**
功能检测证实，来自两个等基因对的APOE4 iAstrocytes均表现出基础呼吸、最大呼吸、质子漏和ATP合成偶联呼吸的降低，以及复合物I、II和IV驱动的呼吸通量减少。同时，线粒体膜电位、线粒体超氧化物、过氧化氢（H₂O₂）和线粒体钙离子（Ca²⁺）水平升高，表明存在氧化应激和钙稳态失衡。APOE4 iNeurons也表现出最大呼吸降低和不同程度的电子传递链功能受损，同时氧化应激指标增加。这些结果一致表明APOE4在两种细胞类型中都诱导线粒体功能障碍和代谢应激。

**5. APOE4增加iAstrocytes和iNeurons的糖酵解**
与线粒体呼吸功能下降相呼应，APOE4 iAstrocytes和iNeurons的糖酵解通量均增加，包括糖酵解能力和糖酵解储备增强。燃料来源分析显示，APOE4 iAstrocytes对葡萄糖和脂肪酸的依赖性和利用能力均增加，且葡萄糖转运蛋白SLC2A1（GLUT1）表达上调。相反，APOE4 iNeurons对葡萄糖的依赖性降低，但利用能力增加，同时其主要的神经元葡萄糖转运蛋白SLC2A3（GLUT3）表达下调，提示神经元可能更依赖于替代燃料或氧化代谢。糖酵解途径蛋白在两种APOE4细胞中均普遍上调。

**6. [¹³C]葡萄糖标记代谢物在iAstrocytes和iNeurons中因APOE基因型而改变**
稳定同位素示踪实验提供了代谢流变化的直接证据。在APOE4 iAstrocytes中，天冬氨酸和谷氨酸的¹³C标记增加，而琥珀酸的标记减少，苹果酸的M+3同位素体标记减少但M+4增加。对TCA循环相关蛋白的分析发现，APOE4 iAstrocytes中TCA循环蛋白总体减少，丙酮酸脱氢酶复合体（PDC）亚基减少，但丙酮酸羧化酶（PC）和延胡索酸水合酶（FH）表达增加，这可能解释了苹果酸标记模式的变化，并表明葡萄糖来源的碳进入TCA循环受阻。在APOE4 iNeurons中，TCA循环蛋白总体增加，但PC表达降低，琥珀酸的¹³C标记显著减少。此外，APOE4细胞中ATP、ADP、NADH、UDP-GlcNAc（尿苷二磷酸-N-乙酰葡糖胺）等多种核苷酸和能量转移分子的¹³C标记增加，己糖胺生物合成途径蛋白表达上调，但O-GlcNAc（O-连接N-乙酰葡糖胺）修饰水平在iNeurons中降低。

**四、 讨论与结论**

**讨论部分总结：** 本研究系统揭示了APOE4基因型引起的大脑代谢和线粒体功能的早期改变，且独立于Aβ和tau病理。主要发现包括：1）在年轻APOE4 TR小鼠中观察到全脑和线粒体蛋白质组的性别特异性改变以及线粒体呼吸功能受损；2）在APOE4 iAstrocytes和iNeurons中均发现线粒体功能障碍、氧化应激增加和向糖酵解的代谢转换，但两种细胞类型的反应模式不同（如氧化磷酸化蛋白在星形胶质细胞中下调而在神经元中轻微上调）；3）APOE4细胞表现出炎症通路激活和代谢紊乱并存的现象，提示代谢失调与神经炎症之间存在联系；4）APOE4引起的代谢变化可能破坏星形胶质细胞-神经元之间的代谢偶联（例如乳酸穿梭），从而影响突触功能。

研究也指出了若干局限性，例如缺乏神经元-星形胶质细胞共培养实验来模拟体内的相互作用，使用人源化小鼠模型可能存在生理差异，以及未研究APOE4对突触功能的影响。未来的研究需要进一步探究APOE4引起代谢转换的深层机制，并明确早期代谢和炎症应激是否是驱动APOE4携带者AD风险增加的直接原因。

**研究结论翻译：** 综上所述，这项研究证明了APOE基因型依赖性的显著代谢转换。研究人员在缺乏淀粉样蛋白或tau病理的情况下，观察到了全脑代谢和线粒体功能的变化，包括细胞类型特异性的改变。雄性和雌性APOE4小鼠均表现出代谢蛋白/通路的改变和线粒体功能异常。此外，虽然APOE4 iAstrocytes和iNeurons都表现出炎症通路激活和向糖酵解的代谢转换，但线粒体功能障碍的变化在细胞类型间存在差异。代谢功能障碍存在于AD中，但尚不清楚这是原因还是结果。本研究将代谢功能障碍定位为APOE4（AD的一个重要遗传风险因素）驱动的早期特征。尽管如此，未来仍需进行研究以探究APOE遗传变异导致这种代谢功能转换背后的潜在机制。应特别关注于理解早期的代谢和炎症应激是否驱动了APOE4携带者AD风险的增加。