《自然》子刊：99.9%新药研发失败诅咒有望被打破！科学家终于揭秘APOE4突变导致阿尔茨海默病的奇特机制

本月，NIA-AA提出了新的阿尔茨海默病研究框架，它与数十年来一直使用的方法不同。后者依赖于认知变化，如记忆丧失、空间感错乱、认知障碍等，新的框架则是基于对生物标志物的检测，以实现在症状出现之前判断疾病[1]。

目前，这种框架还仅用于研究，暂时不会进入临床。但是想象一下，在这种框架之下，阿尔茨海默病或许可以像心血管疾病、糖尿病这些慢性疾病一样，在症状出现之前就被早期发现，得到一定程度的控制。

毕竟对于阿尔茨海默病来说，等到症状出现就太晚了。

2018年，第一个终止于三期临床的阿尔茨海默新药出现在4月。vTv Therapeutics宣布终止其RAGE抑制剂药物azlueragon（TTP488）的临床研究，在试验中，服用药物18个月并不能改善患者的认知评分[2]。

许多AD新药都是这样死去的。临床前实验进行得很顺利，在小鼠模型上药物效果都很好，但是一应用到患者身上，却毫无效果。99.9%的失败诅咒笼罩在研究者们的心头，究竟是哪里不对，是动物模型不能完全模拟人类，还是理论从根本上就错了？

纵然80%基因都一样，但小鼠毕竟是小鼠

近期，来自格莱斯顿研究所的华人学者Yadong Huang团队发表了一项最新研究成果，研究者利用来自阿尔茨海默病患者的诱导多能干细胞（iPSC）构筑了人源AD神经元模型，全面揭示了APOE4突变导致AD的机制！更令人激动的是，研究者此前开发的一款小分子结构矫正剂能够对APOE4蛋白的错误结构进行矫正，有望成为AD的新疗法[3]。

研究过程中，研究者还发现，iPSC神经元模型与小鼠模型的病理过程有显著不同，说明AD在不同物种之间的表现差异很大，这很有可能是新药接连失败的原因之一。

APOE4突变是AD最大的遗传因素之一，许多研究表明APOE4蛋白与β-淀粉样蛋白沉淀（Aβ）和神经纤维缠结（NFTs）都有关系[4]，APOE4携带者患AD的风险要更高，第一次发病年龄则更低。举个例子，携带APOE3双等位基因的人，在85岁时患AD的风险约为10%，但是携带APOE4双等位基因的人风险则高达65%[5]！

Huang教授便致力于研究AD与APOE4的关系。他提出了一种有关于APOE4蛋白水解的病理假说：

一般情况下，APOE蛋白是由大脑中的星形胶质细胞表达的，但是在压力或受损的情况下，神经元也会激活APOE表达，来促进神经元的修复。而APOE4蛋白比APOE3蛋白更不稳定，更容易被水解成具有神经毒性的蛋白碎片。APOE4片段进入胞质，引起tau蛋白病变和线粒体损伤，进一步导致神经元变性。主管学习、记忆等认知功能的海马中的GABA神经元，则是对APOE4蛋白片段的毒性特别敏感，所以AD患者首先表现为认知障碍。

实际上APOE4与正常的APOE3，在结构上只相差一个氨基酸。APOE3蛋白的112位上是一个半胱氨酸，但是APOE4蛋白的112位上却是一个精氨酸。这直接导致在蛋白进行三维折叠的时候，产生了不同的离子键，关键的结构域变得不一样了。俗话说结构决定功能，所以，有研究者认为，利用一个小化学分子，“干扰”一下蛋白的结构，是有希望让APOE4不管是结构、还是功能都回到正常的APOE3的[4]。

考虑到AD病程很长，动物模型难以囊括全程的病理变化，Huang教授选取了来自APOE4双等位基因携带者和健康人的细胞，利用iPSC技术制作了AD神经元模型，并对一系列病理特征进行了检测。

在APOE4神经元中，完整的APOE蛋白水平要比正常神经元更低，胞内水平少了约35%，分泌出胞外的则少了大约60%。计算过二者的比例之后，研究者发现，APOE4蛋白似乎更倾向于留存在胞内，而不是分泌到胞外。

同时，研究者发现，APOE4神经元内产生的APOE蛋白片段也更多了！这些蛋白的大小在12-20kD之间，与在小鼠模型脑内和人类患者神经元中发现的蛋白片段大小差不多[6,7]！这些蛋白片段仅存于胞内，培养基内没有检测到。

APOE4蛋白碎片要更多

另一方面，与AD有关的两大病理特征，β淀粉样蛋白沉淀（Aβ）与磷酸化tau蛋白（p-tau）在APOE4神经元中都有显著增加，而且p-tau的增加并非受Aβ影响。当研究者利用药物阻断Aβ产生，p-tau水平依旧很高，并没有随之变化。

p-tau与Aβ在APOE4中水平较高

利用OM99-2和Copd-E两种分泌酶阻断剂降低Aβ水平，p-tau不受影响

分歧就出现在这里了！研究者经过实验验证，认为APOE4能够促进人类神经元中Aβ的聚集和形成，但是这种现象是不存在于小鼠神经元中的！在小鼠的iPSC神经元中，APOE4突变并不增加Aβ42与Aβ40的水平。这说明，物种之间APOE对Aβ代谢水平的影响是不同的，APOE4能够增加人类神经元中Aβ的产生，但在小鼠神经元中就没有这样的效果。

对功能神经元的实验也证实了Huang教授的假说。在APOE4神经元中，随着神经元的逐渐分化、成熟，GABA能神经元会逐渐丧失功能或者退化，而且60%的GABA神经元中都有p-tau。

APOE4变体GABA神经元水平更低，p-tau水平更高

随后研究者又利用基因编辑方法验证了APOE4对神经元影响的特异性。将APOE4修复为APOE3，使得神经元的诸多AD样病理都恢复了正常，而彻底敲除了APOE基因的“空白”神经元，生理表现则与正常的APOE3神经元基本一致；通过转染APOE4基因，则又会令“空白”神经元产生病理状态。

基因编辑使APOE4神经元病理指标下降

水平与正常APOE3神经元基本一致

这里有一点十分有趣，导致病理状态的APOE4非得是内源产生的不可。研究者给“空白”神经元输入了人工合成的APOE4，结果并没有引起神经元的相关变化。前文我们也说过了，正常情况下APOE蛋白是由星形胶质细胞产生的，但是在压力、损伤等情况下，神经元也会产生APOE蛋白[4]。研究者对不同来源的APOE4蛋白进行了研究，发现APOE4毒性是神经元特异的，星形胶质细胞产生的APOE4并不会对神经元产生有害影响。

最后，Huang教授利用此前发现的结构矫正子PH002[8]尝试“修复”APOE4神经元。实验结果也达到了研究者的预期，神经元中APOE4蛋白片段水平下降、GABA能神经元数量上升，p-tau、Aβ42、Aβ40产生与分泌的水平都降低了！这说明，这种小分子的结构矫正剂或许可以作为一种治疗AD的新手段！

小分子结构矫正剂能够“纠正”APOE4带来的神经元毒性

对AD的研究进程必须要抓紧了。在上个月召开的阿尔茨海默和帕金森病治疗会议（AAT-AD/PD）上，梅奥诊所的研究者报告说，与近几年的研究不同，痴呆症的发病率不降反升，特别是帕金森、ALS和早发性AD，这种趋势也很有可能延伸至迟发性AD。其他研究者的报告数据也支持了这一观点。[9]

在对AD的预防与治疗上，我们几乎一筹莫展。Huang教授正在与制药企业合作，对这些小分子结构矫正剂进行进一步优化，以便尽快进入临床试验。

期待这一天的到来。

参考资料：
[1]http://www.alzheimersanddementia.com/article/S1552-5260(18)30082-7/fulltext?_ga=2.217455058.555637967.1524481461-853680605.1508294454
[2]http://ir.vtvtherapeutics.com/phoenix.zhtml?c=254081&p=irol-newsArticle&ID=2341681
[3] Chengzhong Wang, Ramsey Najm, Qin Xu, Dah-eun Jeong, David Walker, Maureen E. Balestra, Seo Yeon Yoon, Heidi Yuan, Gang Li, Zachary A. Miller, Bruce L. Miller, Mary J. Malloy & Yadong Huang. Gain of toxic Apolipoprotein E4 effects in Human iPSC-Derived Neurons Is Ameliorated by a Small-Molecule Structure Corrector. Nature Medicine, 2018 DOI: 10.1038/s41591-018-0004-z [4] Huang, Y. & Mucke, L. Alzheimer mechanisms and therapeutic strategies.Cell 148, 1204–1222 (2012).
[5] Genin, E. et al. APOE and Alzheimer’s disease: a major gene with semidominant inheritance. Mol. Psychiatry 16, 903–907 (2011).
[6] Brecht, W. J. et al. Neuron-specifc apolipoprotein E4 proteolysis is associated with increased tau phosphorylation in brains of transgenic mice. J. Neurosci.24, 2527–2534 (2004).
[7] Harris, F. M. et al. Carboxyl-terminal-truncated apolipoprotein E4 causes Alzheimer’s-disease-like neurodegeneration and behavioral defcits in transgenic mice. Proc. Natl Acad. Sci. USA 100, 10966–10971 (2003).
[8] Mahley, R. W. & Huang, Y. Small-molecule structure correctors target abnormal protein structure and function: structure corrector rescue of apolipoprotein-E4-associated neuropathology. J. Med. Chem. 55,8997–9008 (2012).
[9]https://www.alzforum.org/news/conference-coverage/alzheimers-incidence-rising-not-falling-researcher-says

来源：奇点网   作者：代丝雨