Nature Neuroscience：APOE等位基因翻转：重塑大脑代谢特征，逆转阿尔茨海默病进程
小鼠APOE4至APOE2的等位基因转换可改善AD相关代谢特征、神经病理学和认知功能
2025年11月，美国肯塔基大学的相关研究人员在《Nature Neuroscience》（IF:20）上发表了题为“APOE4 to APOE2 allelic switching in mice improves Alzheimer’s disease-related metabolic signatures, neuropathology and cognition”的研究论文，首次实现了在活体小鼠中将载脂蛋白E（APOE）的高危等位基因APOE4翻转成“保护型”APOE2，提示靶向APOE等位基因替换可能为同时调控多个阿尔茨海默病（AD）相关通路提供有前景的治疗策略。
亮点概述：
- 1. 开发了一种可诱导“切换”风险等位基因与保护性等位基因的敲入模型。
- 2. 从APOE4到APOE2的短期转换可广泛影响脑部转录组和脂质组变化。
- 3. 星形胶质细胞特异性E4向E2的转换能改善认知功能、降低总淀粉样蛋白水平、减少胶质增生和斑块相关APOE水平。
研究背景：
晚发型AD（LOAD）最强的遗传风险因素是APOE。人类APOE有三种常见的多态性等位基因，分别编码ApoE三种蛋白质亚型：E2、E3和E4。与E3相比，E4使纯合携带者患AD的风险增加了13倍。相反，E2具有显著的神经保护作用，可将AD风险降低40%，延缓认知衰退并延长寿命。这些在AD风险上的显著差异可能的机制包括E4驱动的淀粉样蛋白和tau蛋白病理加重、突触功能障碍、神经网络连接异常、脑血管损伤、神经炎症状态加剧，以及神经胶质细胞葡萄糖和脂代谢的改变。
基于APOE4强风险和E2强保护的特性，清除E4并用E2替代可能是一种非常有效的治疗策略。尤其是随着CRISPR-Cas9及相关碱基编辑技术的突破性进展，这种精准医疗方案有望在未来几年成为E4携带者的治疗选择。
首先，为探究APOE4向APOE2等位基因转换的体内效应，研究人员构建了一种可在风险等位基因与保护性等位基因（APOE4s2）之间实现可诱导“切换”的敲入模型。将APOE4s2小鼠与可被他莫昔芬（TAM）激活的ROSA26-CreERT1 Cre品系杂交，从而诱导全身性（G）APOE等位基因切换，获得APOE4s2G小鼠。为验证TAM能否成功诱导从E4到E2表达的全身性转换并评估其转换效率，研究人员分别对小鼠的大脑和肝脏（ApoE的两个主要来源）进行qPCR检测和基于靶向质谱的蛋白质组学分析。等位基因分型图显示，在肝脏和大脑中均实现了从APOE4到APOE2 mRNA的高效转换。此外，在蛋白水平也证实了E4向E2的转换，其中分别在APOE4s2G小鼠的脑和血浆中检测到的84-93%和92-99%的ApoE肽段是E2特有的。这些数据表明，APOE4s2G小鼠在基础状态下合成人类ApoE4，而TAM处理能在基因和蛋白水平高效诱导其向APOE2和ApoE2转换。
APOE“开关小鼠”能高效实现从ApoE4到ApoE2的表达转换
鉴于ApoE在脂质代谢中的核心作用，研究人员探究了将E4全局转换为E2是否会影响外周及大脑代谢通路。发现在高脂饮食下，基因转换后的APOE4s2G小鼠重现了E2-靶向替代（E2-TR）小鼠的高脂血症特征，表现为血浆极低密度脂蛋白甘油三酯和血浆ApoE水平显著升高；在转换后1个月，APOE4s2G小鼠的脑ApoE水平也升高。共定位分析表明，ApoE蛋白主要来源于星形胶质细胞，与小胶质细胞的共定位很少，与神经元几乎无共定位。接着，研究人员利用LC-MS/MS检测脑脂质组的可能变化。通过比较APOE4s2G小鼠与Cre− APOE4s2对照组，共鉴定出14种脂质分子在两组间存在显著差异，这些差异脂质多为甘油磷脂，包括多种磷脂酰胆碱（PC）和神经酰胺（CER）。进一步对脑脂质组进行了加权基因共表达网络分析，确定了五个共表达模块，其中一个网络与E4到E2转换显著相关，主要由PC和磷脂酰乙醇胺（PE）组成。这部分结果说明即使是在成年小鼠中从E4到E2的短期转换也足以驱动ApoE浓度和脂质代谢的变化，最明显的是脑内多种PC亚类的增加。
为了无偏向地研究从APOE4向APOE2转换如何影响脑转录组的细胞类型特异性变化，研究人员对6月龄APOE4s2G小鼠、Cre− APOE4s2对照小鼠以及年龄和性别匹配的E2-TR和E4-TR小鼠的全脑组织进行了单细胞RNA测序（scRNA-seq）。降维分析确定了41个簇并将其归类为12种独特细胞类型。差异表达基因（DEGs）分析显示，星形胶质细胞、少突胶质细胞、小胶质细胞和内皮细胞是受1个月期APOE4向APOE2转换影响最显著的细胞类型。值得注意的是，APOE4s2G小鼠与APOE4s2对照组、E2-TR和E4-TR小鼠的DEGs存在显著重叠，表明区分E4“终身”表达的众多基因具有高度可塑性。此外，许多由E4到E2转换改变的基因可归入六大AD机制范畴—涉及多项AD尸检研究的通路—尤其是与脑代谢、炎症反应及细胞骨架/血管完整性相关的通路。最后，与E4到E2转换相关的DEGs也强烈反映了多个与APOE和AD相关的基因列表，特别是通过整合公开人类转录组数据集识别出的LOAD相关基因。这些结果共同表明，即使不存在AD病理特征，在发育完成后从E4向E2的表达转换也足以驱动此前与AD相关的通路发生转录组变化。
全身APOE等位基因转换驱动多种中枢神经系统细胞类型中与AD相关的转录组变化
为降低全身性APOE编辑技术可能引发的转化医学风险，研究人员构建了星形胶质细胞特异性APOE4s2小鼠(APOE4s2A)。先通过细胞分选和qPCR验证了星形胶质细胞特异性E4向E2转换的高效性和细胞特异性。再通过scRNA-seq确定了星形胶质细胞特异性基因转换能诱导与全身性APOE等位基因转换相似的转录组变化，从而说明星形胶质细胞特异性表达E2也足以驱动神经胶质转录组中与AD相关改变。随后研究人员对星形胶质细胞特异性E4到E2的表观遗传转换是否能直接影响AD病理进行探究。通过行为学评估、免疫荧光、ELISA等实验结果发现当APOE4s2A与5xFAD（一种AD小鼠模型）背景交叉时，星形胶质细胞特异性E4至E2转换能够改善认知，减少淀粉样病变，降低胶质增生并减少斑块相关ApoE。
星形胶质细胞特异性APOE转换可改善AD模型的联想记忆，并降低斑块负荷
综上所述，即使是从E4到E2的短期发育后过渡也会广泛影响大脑转录组和脂质组，并可以同时减少多种AD病理。这些发现强调了这种诱导系统作为一种有前途的临床前模型，可用于评估APOE基因编辑的最佳时机、细胞特异性作用以及整体治疗潜力。
