Cell︱转录组测序揭示阿尔兹海默症风险基因APOE4的作用

APOE全称为载脂蛋白E( APOliprotein E )，在人体中，主要有三个等位基因APOE 2，APOE 3和APOE 4。APOE是一种299个氨基酸组成（分子量约为34 kDa）的分泌糖蛋白。APOE能够通过其C端结构域结合胆固醇和磷脂，通过N端结构域与其受体相结合1。  

APOE2，3，4三者之间的氨基酸序列的区别仅在于112位和158位的氨基酸有所差异（表一）——尽管氨基酸序列的差别如此之小，但是三者在脂质结合的性质以及与受体结合的亲和力方面却有着显著差异1。目前认为APOE 4是阿尔兹海默症( Alzheimer’s disease, AD )的一个高风险基因，APOE 3是中性的，而APOE 2则对AD具有保护作用。然而目前人们对APOE对大脑细胞功能的影响仍然不甚清楚。

表一 APOE三个亚型的氨基酸序列的差异

图1 本文的研究思路概览2

2022年6月22日，一篇名为Cholesterol and matrisome pathways dysregulated in astrocytes and microglia 的研究论文在国际顶尖期刊Cell 发表，该研究主要以人源细胞模型，人的脑组织（遗体），以及小鼠模型为研究对象然后进行转录组测序，差异基因表达分析等，从而发现APOE 4会导致星形胶质细胞和小胶质细胞中胆固醇以及“基质体”相关的信号通路异常，而这可能是AD潜在的致病原因。

首先，研究者们选取了6个APOE 44纯合和7个APOE 33纯合的个体作为诱导多能干细胞( hiPSCs )的供体，然后诱导成纤维母细胞并使之分化得到四种不同的细胞类型（图2），而后进行转录组测序，进行差异基因表达分析和Fast pre-ranked gene set enrichment分析(fGSEA)等生物信息学分析，从而分析研究APOE 4的影响。

图2 人源多能干细胞的诱导及分化过程

分析发现，与APOE 33相比，APOE 44基因型的小胶质细胞和星形胶质细胞中差异表达的基因数目是最多的，而混合的皮层细胞培养物以及闹微血管内皮细胞中差异表达的基因数量很少，这说明小胶质细胞和星形胶质细胞是受AOPE基因型影响的主要的细胞类群（图3）。

图3 不同类型细胞中差异表达的基因数量不同

进一步，研究者采用fGSEA分析不同类型细胞中所富集的信号通路( APOE 44 vs 33 )，发现小胶质细胞和星形胶质细胞中主要是脂质代谢相关的信号通路如胆固醇生物合成被富集，而混合皮层培养物中主要是“基质体”相关的信号通路被富集（图4，5）（细胞外基质蛋白以及与其相关的一些调控因子在本文中被统称为“基质体”，matrisome）。

图4 小胶质细胞和星形胶质细胞所中富集的信号通路

图5 混合皮层培养物中所富集的信号通路

研究者们也对人类遗体的脑组织进行转录组测序及分析，也发现了脂质和“基质体”相关的信号通路的富集。并且，有相当多的信号通路与炎症相关，如一些细胞因子信号通路，干扰素信号通路，白介素信号通路等——这说明炎症也可能是AD的风险因素。对若干小鼠模型的测序分析则表明，在小胶质细胞和星形胶质细胞中，APOE 4 所导致的部分表型是人类所特有的。

图6 人遗体中星形胶质细胞和小胶质细胞所富集的信号通路

（注：STG, PHG, IFG等分别代表不同的脑区）

除了APOE的基因型，研究者们还想要探究不同个体的遗传背景是否也对AD有潜在的影响。为了，研究者们构建了“等基因模型”( isogenic model )，即通过CRISPR的方法编辑不同的iPSC细胞系，如某个体的基因型是APOE 44，那么通过CRISPR编辑使APOE 44变为33，则获得了相同遗传背景下的APOE 44和33细胞系。通过测序和分析，研究者们发现个体间的遗传背景同样会对细胞的表型产生重要的影响（图7）。

图7 遗传背景的差异对细胞表型的影响

综上，本研究通过三种模型（人iPSC模型，人遗体的AD大脑以及小鼠模型）进行全转录组测序以及一系列分析，进而发现了人类特异性的APOE 44基因型能够导致胶质细胞中胆固醇等代谢异常，以及神经元-胶质细胞之间的“基质体”信号通路异常，这为深入理解APOE 4这一AD的高风险基因的致病机理提供了重要参考。

图8 本文的主要研究发现

参考文献

1. Serrano-Pozo, A., Das, S. & Hyman, B. T. APOE and Alzheimer's disease: advances in genetics, pathophysiology, and therapeutic approaches. The Lancet Neurology 20, 68-80, doi:10.1016/s1474-4422(20)30412-9 (2021).

2. Kim, G. & Gitler, A. D. APOE told me put my fat in the bag and nobody gets hurt. Cell 185, 2201-2203, doi:10.1016/j.cell.2022.05.028 (2022).

供稿 | 李浩田

审稿 | 朱盎岐

责编 | 囡囡

排版 | 可洲