阿爾茨海默病（AD）是一種神經(jīng)退行性疾病，表現(xiàn)為認(rèn)知功能減退以及行為與性格改變。AD具有遺傳傾向，致病基因的罕見突變會(huì)直接導(dǎo)致常染色體顯性遺傳AD的發(fā)生，如APP（β-淀粉樣蛋白前體）基因、PSEN1（早老素1）基因和PSEN2（早老素2）基因等。在病理層面，細(xì)胞外的β-淀粉樣蛋白（Aβ）斑塊沉積與細(xì)胞內(nèi)的tau蛋白纖維纏結(jié)是AD的兩大主要病理特征【1】。通過(guò)遺傳學(xué)研究，可以解析導(dǎo)致AD的關(guān)鍵基因以及這些基因在 AD疾病發(fā)展中的作用，對(duì)于理解AD的發(fā)病機(jī)制和開發(fā)治療策略具有重要意義。

載脂蛋白 E (APOE) 基因多態(tài)性是散發(fā)性AD發(fā)生的主要遺傳風(fēng)險(xiǎn)因素，與常見的 APOE 變體（variant）APOE*ε3相比，APOE*ε4 等位基因會(huì)導(dǎo)致罹患 AD 的風(fēng)險(xiǎn)大大增加，而APOE*ε2 等位基因會(huì)降低 AD風(fēng)險(xiǎn)【2】。在世界上最大的阿爾茨海默病常染色體顯性遺傳家系中，有一位PSEN1 E280A攜帶者的認(rèn)知減退發(fā)生年齡推遲近30年，且腦中tau蛋白病理顯著降低。全外顯子測(cè)序數(shù)據(jù)揭示APOE3的罕見純合突變 APOE3 Christchurch（APOE3ch，R136S）是AD的潛在保護(hù)性因素。雖然APOE3ch突變的發(fā)現(xiàn)為AD 的病生理機(jī)制研究提供了全新視角，但是APOE3ch突變極為罕見使其無(wú)法在人源性樣本中進(jìn)行機(jī)制研究。

2024年4月12日，清華大學(xué)魯白實(shí)驗(yàn)室在 Cell Research 雜志發(fā)表了題為APOE3ch alleviates Aβ and tau pathology and neurodegeneration in the human APP^NL-G-Fcerebral organoid model of Alzheimer’s disease的文章。

作者通過(guò)敲入APP基因致病性突變而建立了AD人源性類腦器官模型。該模型在時(shí)間維度依次呈現(xiàn)AD的關(guān)鍵病理特征，包括Aβ沉積、tau病理性變化、星形膠質(zhì)細(xì)胞增生和神經(jīng)元死亡，為研究AD 發(fā)生發(fā)展機(jī)制和開發(fā)潛在的治療靶點(diǎn)提供了重要工具。此外，作者使用該AD類腦器官模型揭示了載脂蛋白E基因APOE3ch突變對(duì)AD病理過(guò)程和神經(jīng)退行性變化的保護(hù)作用（圖1）。

圖1. APP^NL-G-F人源性類腦器官模型在時(shí)間維度依次呈現(xiàn)AD關(guān)鍵病理特征。

作者首先結(jié)合之前開發(fā)AD大鼠模型的經(jīng)驗(yàn)【3】，通過(guò)CRISPR-Cas9基因編輯將APP基因的3種家族遺傳性致病突變引入人類H1胚胎干細(xì)胞（hESCs）中，證實(shí)了hESCs中發(fā)生了APP^NL-G-F的純合突變，并誘導(dǎo)分化為前腦類腦器官模型。作者在不同時(shí)間點(diǎn)檢查了APP^NL-G-F類腦器官模型的AD病理學(xué)特征，發(fā)現(xiàn)APP^NL-G-F類腦器官Aβ₄₂沉積顯著增加，tau 蛋白聚集增多，伴隨星狀膠質(zhì)細(xì)胞增生。除了顯著的AD病理學(xué)特征外，APP^NL-G-F類器官中出現(xiàn)明顯的細(xì)胞凋亡和壞死。

建立了人源性APP^NL-G-F類腦器官模型后，作者利用該模型探究了APOE3ch對(duì)AD病理性變化和神經(jīng)元死亡的潛在保護(hù)作用。通過(guò)CRISPR-Cas9基因編輯將APOE3ch敲入APP^NL-G-FhESCs的基因組中，建立了表達(dá)APOE3（APP^NL-G-F:APOE3）或APOE3ch（APP^NL-G-F:APOE3ch）的AD類腦器官模型。作者利用上述類腦器官模型發(fā)現(xiàn)APOE3ch的表達(dá)顯著降低了Aβ沉積，且減少了tau蛋白磷酸化和異常折疊。不僅如此， APOE3ch的表達(dá)有效緩解了APP^NL-G-F類腦器官表現(xiàn)出的星狀膠質(zhì)增生和神經(jīng)元死亡表型。可見，APOE3ch對(duì)于AD病理過(guò)程和神經(jīng)退行性改變有顯著的保護(hù)作用。

綜上所述，本研究開發(fā)了一種新的人源性AD類腦器官模型（APP^NL-G-F），該模型能在較短時(shí)間內(nèi)高度模擬AD患者腦中出現(xiàn)的病理性改變及神經(jīng)元死亡等特征。利用這一模型，作者證明了APOE3ch 罕見突變對(duì)AD病理和神經(jīng)退行性變的保護(hù)作用，為研究APOE3ch的生物學(xué)特點(diǎn)及其緩解AD的細(xì)胞和分子機(jī)制提供了新的工具。

值得一提的是，近期有兩篇APOE3ch相關(guān)論文發(fā)表【4，5】。在Cell發(fā)表的研究中，Chen等構(gòu)建了人源APOE3ch knock-in小鼠品系，將其與基于Aβ的APP/PS1小鼠雜交后發(fā)現(xiàn)，通過(guò)上調(diào)小膠質(zhì)細(xì)胞的吞噬作用，APOE3ch緩解了X34+Aβ纖維聚集（非Aβ寡聚體），以及Aβ相關(guān)的tau病理特征（Cell | 揭秘首例遺傳性阿爾茨海默病保護(hù)性突變——單基因突變?nèi)绾窝泳徴J(rèn)知衰退30年？）【4】。在Nature Neuroscience發(fā)表的研究中，Nelson等將APOE3ch knock-in到APOE4小鼠中，將其與tau轉(zhuǎn)基因小鼠PS19雜交后發(fā)現(xiàn)，純合APOE3ch解救了APOE4驅(qū)動(dòng)的tau病理和星形膠質(zhì)增生等表型【5】。

除了與這兩項(xiàng)研究同樣證明了APOE3ch對(duì)AD病理性變化的保護(hù)作用之外，本研究還有幾點(diǎn)重要貢獻(xiàn)。首先，與上述兩項(xiàng)研究不同的是本研究使用的是完全人源化的類腦器官系統(tǒng)。第二，APP^NL-G-F類腦器官模型是基于敲入而不是致病基因突變的過(guò)表達(dá)系統(tǒng)，因此避免了由于轉(zhuǎn)基因表達(dá)引起的潛在非生理表型。此外，本研究開發(fā)的APP^NL-G-F類腦器官模型出現(xiàn)了Aβ和tau病理特征、星形膠質(zhì)增生以及神經(jīng)元的凋亡和壞死，這些特征在APP/PS1小鼠或PS19轉(zhuǎn)基因小鼠中難以全部重現(xiàn)，避免了小鼠模型的局限性，也突顯了本研究開發(fā)新的人源性 AD 類腦器官模型的重要意義。相信未來(lái)研究中APP^NL-G-F人源性AD 類腦器官模型會(huì)在揭示 AD 發(fā)病機(jī)制以及APOE3ch的保護(hù)機(jī)制中發(fā)揮顯著優(yōu)勢(shì)。