动脉粥样硬化，在医学领域中耳熟能详的名词，却依旧让人不可捉摸。它并不是某种罕见的疾病，而是与现代人的生活方式、饮食习惯、甚至遗传因素紧密相关的一种血管病理改变。简言之，当血管壁上积累了过多的脂肪、胆固醇和其他物质，形成斑块时，就会导致动脉粥样硬化。这些斑块可能会限制血流，甚至可能导致心脏病和中风等严重的健康问题。但是，为什么有些人更容易患上这种疾病，而有些人即使年纪增长，血管仍然保持健康和弹性？  

科学家们深入研究这一现象，在众多与动脉粥样硬化相关的基因中，APOE基因引起了科研工作者的极大关注。APOE蛋白在脂肪和胆固醇的运输中起到关键作用。更为重要的是，APOE基因有多种不同的形式，而这些不同的形式可能影响个体发生动脉粥样硬化的风险。了解自己携带的APOE基因型，可能帮助我们更好地评估风险，从而采取更为合适的预防措施。从微观的基因到宏观的生命健康，APOE基因与动脉粥样硬化之间的联系为我们提供了一个深入了解健康与疾病的窗口。因此，本文的主角就是APOE基因，我们将从APOE的发现、APOE的结构及生理功能、APOE基因多态性、APOE相关疾病、实验模型与现货库存以及APOE的临床应用现状，为大家展开进行详细的介绍。


一、ApoE简介

经不完全统计，在Pubmed网站中以“Apolipoprotein E OR APOE”为关键词检索所有跟APOE相关的文献，从每年的发文量来看，自发现APOE至今将近50年，相关文献数量呈逐年增长的趋势、且数量相当可观（图1），由此可见APOE依旧是当今科学研究所关注的一大热点。

图1. APOE基因有关的文献数量

（数据来源于Pubmed网站）

人血浆中含有多种与脂质转运相关的蛋白质。在20世纪70年代初，Shore等人[1]发现了一类与极低密度脂蛋白（VLDL）相关的蛋白质，并称之为富含精氨酸的载脂蛋白。直到1982年Hazzard等人[2]才将其命名为载脂蛋白E（Apolipoprotein E，ApoE）。ApoE的发现对脂代谢及相关疾病的研究和认识产生了极大的推动作用。ApoE是清除血浆中富含甘油三酯和胆固醇脂蛋白的关键配体，被证明参与了脂质转运和心血管疾病。此外，在1980年代中期，发现ApoE也是中枢神经系统中的主要脂质转运蛋白，有助于维持和修复神经元，与阿尔兹海默症等神经退行性疾病密切相关。认识到ApoE的重要性后，科学家随即开发了ApoE基因敲除（ApoE-/-）小鼠和ApoE靶向替代（ApoE-TR）小鼠，进而建立疾病模型以研究相关病理学与病理生理学机制。


二、ApoE结构与生理功能

1. ApoE结构介绍

人类ApoE基因位于19号染色体q13.32上，能够编码由299个氨基酸组成、大小约为34 kDa的分泌糖蛋白—ApoE，它具有由铰链区隔开的两个结构域。N末端结构域包含4个反向平行排列的螺旋（aa: 1-191），含有脂蛋白受体结合区（aa: 136-150）；C末端结构域（aa: ~225-299）包含与脂质和脂蛋白结合的两亲性α螺旋（aa: ~244-272）。

图2.人APOE基因定位

图3. APOE蛋白质结构[3]

（Apolipoprotein E structure: insights into function.）

注：小鼠APOE结构拥有浅蓝色部分的螺旋结构，而人源APOE这部分不形成规则的螺旋结构；人APOE中112位和158位氨基酸是三种亚型的区别之处


2. ApoE功能介绍

ApoE在多种组织和细胞中表达，通过自分泌和旁分泌的方式调节细胞功能，并进入血浆循环介导脂蛋白的清除。在外周组织中，ApoE主要由肝脏中的肝细胞和巨噬细胞产生，另外包括肾脏、脂肪细胞、髓系免疫细胞和血管平滑肌细胞等也有表达。这里的ApoE负责与血浆中的乳糜微粒（CM）、VLDL、低密度脂蛋白（LDL）和高密度脂蛋白（HDL）结合，通过与肝细胞表面的LDL受体（LDLR）、LDLR相关蛋白-1（LRP1）和硫酸乙酰肝素蛋白聚糖（HSPG）相互作用，将脂蛋白内吞进肝细胞，由溶酶体负责胞内降解。

ApoE无法通过血脑屏障进出中枢神经系统。在大脑中，ApoE主要由星形胶质细胞大量表达产生，且少突胶质细胞、活化的小胶质细胞和应激损伤的神经元中也有少量表达；其中ApoE介导的胆固醇和脂质转运在突触形成和脑组织修复中起关键作用。


三、ApoE基因多态性

迄今为止，仅发现人类ApoE基因具有多态性，包括小鼠在内的其他哺乳动物中还没有报道。人ApoE基因主要存在三个频率不同的等位基因，分别为ε2（5-10%）、ε3（65-70%）和ε4（15-20%），可以产生六种常见基因型：ε2/2、ε2/3、ε2/4、ε3/3、ε3/4、ε4/4，这六种基因型又对应三种ApoE蛋白亚型（见表1）。ApoE3是最为常见的蛋白亚型，又称野生型；表达ApoE2的基因型被称为长寿基因，有研究表明携带该基因型的人群平均寿命比ApoE3的基因型要高[4]，并且能够显著降低心血管疾病和阿尔兹海默症的发病率，或延迟发病年龄。而ApoE4则属于危险型，携带该基因型的人群死亡风险明显增加，这也与心血管疾病和阿尔兹海默症等发生风险增加有关。然而，ApoE三种亚型功能的极大差异，结构组成上仅区别于第112位和158位氨基酸（ApoE2：Cys112/Cys158；ApoE3：Cys112/Arg158；ApoE4：Arg112/Arg158），导致了与脂蛋白结合、受体结合、寡聚化倾向和稳定性的差异，最终表现出亚型特异性的表型。

表1. 人APOE基因多态性


四、ApoE相关疾病

1. ApoE与心血管疾病

动脉粥样硬化（Atherosclerosis，As）是心血管疾病发生发展的根本原因。一般认为，As是由高脂血症和内皮损伤引起血管炎症进而发展起来的血管慢性病理学改变，它涉及的方面非常广，包括脂代谢异常、大动脉壁损伤和免疫系统及相关炎症，可见发病机制极为复杂。研究表明，ApoE及其多态性与这些发病机制都存在着密切的相关性。与野生型动物相比，ApoE基因敲除动物的As发病率和严重程度都显著增加，因此该模型很适合用于研究As的发病机制，尤其是脂质浸润学说相关的病理机制。另外，还有用人ApoE基因替代小鼠进行研究，即小鼠内源性ApoE基因被人ApoE2、ApoE3或ApoE4取代，为明确不同亚型如何影响脂代谢和As提供许多有价值的观点。有趣的是，在动物模型中观察到了临床上未观察到的指标变化和症状。总之，正常的ApoE功能对于维持血管健康和修复损伤非常重要，ApoE2和ApoE4则可能在不同过程中促进血管损伤，加速As的发展。

图4. ApoE对动脉粥样硬化影响示意图[5]

（Apolipoprotein E in Cardiometabolic and Neurological Health and Diseases.）


2.ApoE与神经系统疾病

ε4等位基因与迟发性阿尔兹海默症和其他神经系统疾病的发生风险较高有关。ε2、ε3、ε4三种等位基因与阿尔兹海默病发病风险相关性依次增加，并且有相当显著的差异，这与不同亚型对大脑β-淀粉样蛋白（Aβ）的负荷能力不同有重要的关系。体内外研究表明，与ApoE2和ApoE3相比，ApoE4促进了Aβ斑块的沉积，同时也抑制了Aβ的清除。而ApoE基因缺失可显著减少Aβ的沉积。此外，ApoE4还可通过促进神经元微管相关蛋白tau过度磷酸化、神经炎症和神经毒性，引起或加剧阿尔兹海默症的发生发展。

图5. APOE对大脑的影响，以及减少APOE4和增加APOE2水平的潜在功能[6]

（APOE and Alzheimer's disease: advances in genetics, pathophysiology, and therapeutic approaches. Lancet Neurol.）

帕金森是另一种与ApoE相关的神经退行性疾病。与阿尔兹海默症类似，ε4等位基因同样与帕金森发病风险增加有关，但ε2等位基因对此没有影响。α-突触核蛋白的积累与帕金森病密切相关。现有研究认为，ApoE4可能通过促进细胞外α-突触核蛋白的激活，以加速神经变性；值得注意的是，ApoE基因缺失也可减轻这种神经变性。另外，ApoE还减少了少突胶质细胞对α-突触核蛋白的摄取和清除，加剧其积累。与ApoE4相关的这些机制可能是协同作用关系，进而大大增加了ε4携带者的患病风险，这有待进一步深入挖掘当中的机制和关联性。此外，ApoE还影响着与血脑屏障或免疫系统相关的神经系统疾病，也是当前需要研究解决的重要问题。


3. ApoE与代谢疾病

ApoE基因多态性与一些代谢性疾病的发生风险存在争议。在关于肥胖的研究中，一个潜在因素可能是与ApoE2清除血浆脂质的能力有关。ApoE2对LDLR的亲和力较低，导致脂蛋白的肝脏清除途径受损，同时将大量的脂质转运、储存到脂肪细胞中，导致肥胖；另外相比于野生型小鼠，人ApoE2-TR小鼠对高脂饮食引起的肥胖更加敏感。ApoE4与肥胖的关系仍存在许多不同的观点，但主要认为对肥胖的影响可能与其参与脂肪细胞分化和产热有关。关于糖尿病的研究中，ApoE多态性可能是与其他因素协同促进糖尿病的发展，且ApoE2和ApoE4对饮食诱发胰岛素抵抗和糖尿病的机制不同。通常这些研究是在高脂饮食的小鼠身上进行的，但ApoE亚型是否会独立影响患糖尿病的风险还有待探讨。


五、实验模型及现货库存

研究ApoE及其亚型对健康和疾病影响的动物模型主要有两种，一种是ApoE-/-小鼠模型，另一种是以人ApoE等位基因靶向敲入以替代小鼠ApoE基因的小鼠模型。目前，ApoE-/-小鼠是研究动脉粥样硬化、高胆固醇血症等心血管疾病最为常见的模型之一；在中枢神经系统中，ApoE-/-小鼠和ApoE-TR小鼠可用于研究阿尔兹海默病和帕金森等神经退行性疾病的病理机制，例如介导Aβ的清除、与神经元中的微管相关蛋白tau相互作用和介导其磷酸化等。

汉恒生物目前有针对APOE基因调控的病毒现货可供选择（表2），可用于细胞或动物模型，我们也可以提供定制服务；此外，也有基于高脂喂养APOE-/-小鼠的动脉粥样硬化模型。

表2. 汉恒APOE基因产品现货表


六、APOE基因研究的临床应用

APOE基因相关研究的临床转化还非常有限，目前主要是通过基因分型分析患者携带的APOE基因型，以进行个性化预防干预和治疗。无论是心血管疾病还是神经退行性疾病的发生发展中，都会因APOE基因的多态性而有所不同，因此某些疗法只能对特定的基因型有效。目前针对性治疗药物和治疗方法仍在探索中，包括靶向APOE的免疫疗法、APOE4的结构校正剂和基因治疗（运用CRISPR/Cas9或递送AAV的方式过表达APOE2）等等[7]，仍需要临床试验来进一步评估这些基于ApoE治疗策略的潜力。然而，不管是携带哪种APOE基因型，都能通过平衡膳食、体育锻炼和规律作息等健康生活方式来降低患病风险或减缓疾病的发展。

总的来说，ApoE基因自发现以来做了非常广泛且深入的研究，使得人们能够更好地了解代谢性疾病、心血管疾病和神经退行性疾病的发病机制，为疾病的预防和治疗提供新的思路和方法。然而，ApoE涉及机制也是相当复杂，还有许多未解之谜有待科学家们发掘。


参考文献：

[1] Shore VG, Shore B. Heterogeneity of human plasma very low density lipoproteins. Separation of species differing in protein components. Biochemistry. 1973 Jan 30;12(3):502-7. doi: 10.1021/bi00727a022. PMID: 4345806.

[2] Zannis VI, Breslow JL, Utermann G, Mahley RW, Weisgraber KH, Havel RJ, Goldstein JL, Brown MS, Schonfeld G, Hazzard WR, Blum C. Proposed nomenclature of apoE isoproteins, apoE genotypes, and phenotypes. J Lipid Res. 1982 Aug;23(6):911-4. PMID: 7130859.

[3] Hatters DM, Peters-Libeu CA, Weisgraber KH. Apolipoprotein E structure: insights into function. Trends Biochem Sci. 2006 Aug;31(8):445-54. doi: 10.1016/j.tibs.2006.06.008. Epub 2006 Jul 3. PMID: 16820298.

[4] Sebastiani P, Gurinovich A, Nygaard M, Sasaki T, Sweigart B, Bae H, Andersen SL, Villa F, Atzmon G, Christensen K, Arai Y, Barzilai N, Puca A, Christiansen L, Hirose N, Perls TT. APOE Alleles and Extreme Human Longevity. J Gerontol A Biol Sci Med Sci. 2019 Jan 1;74(1):44-51. doi: 10.1093/gerona/gly174. PMID: 30060062; PMCID: PMC6298189.

[5] Alagarsamy J, Jaeschke A, Hui DY. Apolipoprotein E in Cardiometabolic and Neurological Health and Diseases. Int J Mol Sci. 2022 Aug 31;23(17):9892. doi: 10.3390/ijms23179892. PMID: 36077289; PMCID: PMC9456500.

[6] Serrano-Pozo A, Das S, Hyman BT. APOE and Alzheimer's disease: advances in genetics, pathophysiology, and therapeutic approaches. Lancet Neurol. 2021 Jan;20(1):68-80. doi: 10.1016/S1474-4422(20)30412-9. Erratum in: Lancet Neurol. 2021 Feb;20(2):e2. PMID: 33340485; PMCID: PMC8096522.

[7]RaulinAC, Doss SV, Trottier ZA, Ikezu TC, Bu G, Liu CC. ApoE in Alzheimer's disease: pathophysiology and therapeutic strategies. Mol Neurodegener. 2022 Nov 8;17(1):72. doi: 10.1186/s13024-022-00574-4. PMID: 36348357; PMCID: PMC9644639.