老龄APOE4小鼠在小胶质细胞APOE2替换后表现出适度的免疫代谢适应

《Neurobiology of Aging》：Older adult APOE4 mice exhibit modest immunometabolic adaptation following microglial APOE2 replacement

　　

利用新型APOE“开关”模型，研究人员得以实现小胶质细胞中E4等位基因向E2的可诱导、细胞特异性替换，从而在星形胶质细胞等其他CNS细胞和外围来源继续表达E4的同时，探究小胶质细胞特异性APOE2表达是否能缓解E4相关表型。研究人员对接受西方饮食（Western Diet, WD）的老年小鼠及接受外周脂多糖（lipopolysaccharide, LPS）刺激的老年小鼠进行了表征。首先，在西方饮食喂养的老年小鼠中，小胶质细胞E2替换与吞噬-溶酶体小胶质细胞数量减少及apoE在其中的定位减少相关；同时，小胶质细胞E2替换还伴有脂质组与代谢组谱的特定改变。其次，在腹腔注射LPS后，小胶质细胞E2替换与代谢及免疫相关通路的基因表达上调相关。总之，这些发现揭示了在其他细胞类型仍表达E4的情况下，小胶质细胞E2表达所伴随的细胞和转录水平变化，并强调需进一步研究以阐明其潜在机制。

论文解读：

**背景与目标：** 载脂蛋白E（apolipoprotein E, APOE）基因型是晚发性阿尔茨海默病（Alzheimer's Disease, AD）最强的遗传风险因素。APOE存在APOE2、APOE3、APOE4三种多态性等位基因，其中E4等位基因与AD风险增加、发病年龄提前及病情加重相关，而E2等位基因则具有保护作用。小胶质细胞作为脑内常驻免疫细胞，在AD及损伤状态下会上调APOE表达，并表现出APOE基因型依赖的转录多样性：E4小胶质细胞吞噬功能受损、免疫代谢失调，而E2表达则可增强吞噬活性、减少小胶质细胞增生和脂质积累。然而，这些变化究竟源于小胶质细胞自身的apoE还是其他表达APOE的CNS细胞类型（如星形胶质细胞、少突胶质细胞或神经元）仍不清楚。明确小胶质细胞apoE在免疫代谢过程中的作用，对于以小胶质细胞重编程和再殖为策略的神经退行性疾病治疗具有重要意义。因此，研究人员利用可诱导、细胞特异性APOE4→APOE2“开关”小鼠模型，探究在脑内其他细胞类型持续表达E4的情况下，将小胶质细胞特异性替换为E2能否减轻E4相关的免疫代谢异常表型。该论文发表于《Neurobiology of Aging》。

**主要技术方法：** 研究人员使用了自主构建的APOE“开关”小鼠模型（APOE4s2），该模型携带人源化APOE4/APOE2可切换等位基因，并与Tmem119-CreERT2小鼠杂交，经他莫昔芬注射实现小胶质细胞特异性E4→E2等位基因转换（4s2M小鼠），Cre阴性同窝小鼠（4s2）为对照。实验设计包含两种免疫代谢刺激：其一，16月龄雌雄小鼠给予4个月西方饮食（Western Diet, WD，42%千卡来自脂肪）；其二，11月龄雄性小鼠单次腹腔注射5mg/kg脂多糖（LPS），24小时后取材。主要技术包括免疫荧光染色及HALO图像分析、qRT-PCR、靶向脂质组学（LC-MS/MS，检测515种脂质）、代谢组学（HILIC-MS，检测101种代谢物）和bulk RNA测序及基因集富集分析（GSEA）。小鼠在肯塔基大学动物设施饲养，APOE开关小鼠由TransViragen Inc构建，转录组测序由NovoGene完成。

**研究结果：**

**3.1 小胶质细胞E4→E2转换不影响慢性西方饮食后的体重和生存率：** 在4个月西方饮食期间，4s2和4s2M小鼠的体重均随时间增加，但两组间体重变化百分比无显著差异；生存曲线亦无统计学显著差异。这表明小胶质细胞特异性E2替换在慢性WD条件下不改变整体体重调控和生存结局。

**3.2 小胶质细胞E2替换减少老年小鼠西方饮食后的吞噬-溶酶体小胶质细胞：** 免疫荧光分析显示，WD后4s2M小鼠脑内CD68阳性面积占IBA1阳性小胶质细胞的比例显著降低，且apoE在CD68阳性IBA1阳性吞噬-溶酶体小胶质细胞内的共定位百分比也显著下降。但总apoE、反应性星形胶质细胞（GFAP+）、小胶质细胞（IBA1+）及小胶质细胞apoE（APOE+IBA1+）面积无显著组间差异。qRT-PCR检测疾病相关及稳态小胶质细胞标志物（APOE、Clec7a、Hif1α、Lgals3、Trem2、P2ry12、Tmem119）亦未发现差异。提示小胶质细胞E2表达与减少吞噬-溶酶体小胶质细胞表型相关。

**3.3 小胶质细胞E4→E2替换对西方饮食后脂质组和代谢组产生适度改变：** 全脑代谢组学分析（101种代谢物）显示，4s2和4s2M两组间整体分离程度有限，但部分代谢物差异显著：4s2M中核黄素、苯甲醛和1-氨基环丙烷-1-羧酸降低，而3-和4-羟基苯乙酸升高。全脑靶向脂质组学分析（515种脂质）同样显示两组间整体差异有限，但4s2M中CE(24:5)、LPC(22:5)和SM(d18:2/18:1)丰度升高，含DHA的缩醛磷脂PE(O-18:0/22:6)和PC(P-18:1/22:6)丰度降低。热图未显示全局性脂质重塑模式。脂质组与组织病理指标的相关性分析显示4s2M中呈现更广泛的负相关模式。

**3.4 小胶质细胞E4→E2转换增强老年小鼠短期炎症后线粒体代谢和免疫激活基因通路表达：** LPS处理后全脑bulk RNA测序显示，4s2M与4s2间存在差异表达基因（如Gstm1、Pcdhgc4、Isoc2a上调；Kcng3、Utp20、Lcor等下调）。GSEA分析表明，4s2M小鼠脑内富集了与线粒体氧化代谢（氧化磷酸化、质子动力ATP合成、线粒体基因表达）、翻译（细胞质翻译、突触翻译）及免疫/抗病毒功能（抗原加工呈递、干扰素-β反应、白细胞介导免疫）相关的通路；而4s2小鼠则富集神经元和突触结构与功能相关通路（突触组装、神经元发育、谷氨酸能突触传递等）。

**3.5 小胶质细胞E2替换不改变短期炎症后DAM标志物、细胞因子水平或胶质增生：** qRT-PCR检测LPS处理后的疾病相关及稳态小胶质细胞标志物未发现组间差异。血浆和脑匀浆中的细胞因子（TNF-α、IL-1β、IL-6、IL-10）水平亦无显著差异。免疫荧光定量分析显示，4s2与4s2M之间在IBA1+、CD68+、CD68+IBA1+、APOE+、GFAP+、APOE+GFAP+、APOE+IBA1+及CD68+IBA1+内APOE共定位等指标上均无统计学显著差异。这表明尽管LPS后全脑转录组存在通路富集差异，但未伴随可检测的蛋白质水平和细胞水平变化。

**结论与讨论总结：** 该研究使用APOE开关模型，在老年小鼠中实现了小胶质细胞特异性的E4→E2替换，并在慢性西方饮食和急性LPS刺激两种免疫代谢挑战下进行表征。研究发现，小胶质细胞E2替换在WD条件下与吞噬-溶酶体小胶质细胞减少及apoE在这些细胞中定位降低相关，并伴随特定脂质和代谢物的改变；在LPS条件下与代谢和免疫相关转录通路富集相关，但未改变细胞因子水平和胶质增生。研究结论指出：小胶质细胞E2替换在老年小鼠WD或LPS刺激后，仅与免疫代谢谱的特定变化相关，而整体脑内效应有限。这些结果提示小胶质细胞E2表达的作用可能依赖于疾病背景、环境因素和年龄，且对APOE表达的小胶质细胞靶向策略可能不如其他小胶质细胞定向方法（如小胶质细胞再殖）在缓解E4驱动的功能异常方面有效。该研究为理解APOE基因型在小胶质细胞免疫代谢中的细胞特异性作用提供了重要依据，并强调了进一步研究小胶质细胞E2表达在神经退行性疾病治疗中潜在价值的必要性。