Přepnutí APOE4 na APOE2 u dospělých myší snižuje Alzheimerovu patologii a zlepšuje paměť

Přepnutím jediného genetického přepínače z APOE4 na APOE2 u dospělých myší výzkumníci zvrátili klíčové změny podobné Alzheimerově chorobě v mozku a zároveň odhalili metabolické kompromisy, které musí budoucí terapie cílené na APOE bezpečně procházet.

Studie: Alelické přepínání APOE4 na APOE2 u myší zlepšuje metabolické podpisy, neuropatologii a kognici související s Alzheimerovou chorobou. Obrazový kredit: Lightspring / Shutterstock

V nedávné studii publikované v časopise Příroda Neuroscienceskupina výzkumníků zkoumala, zda přepínání apolipoproteinu E4 (APOE4) na apolipoprotein E2 (APOE2) u dospělých myší zlepšuje patologii mozku a kognitivní funkce související s Alzheimerovou chorobou a zároveň definuje systémové účinky na lipidy.

Krajina genetického rizika variant APOE

Jedna ze tří rodin zná někoho, kdo žije se ztrátou paměti, a Alzheimerova choroba s pozdním nástupem postihuje desítky milionů lidí po celém světě. Nejsilnějším společným genetickým rizikovým faktorem je APOE: izoforma E4 zvyšuje riziko u homozygotů až třináctinásobně, zatímco izoforma E2 riziko snižuje a zpomaluje pokles.

Vědci navrhli strategie pro úpravu genů k neutralizaci APOE4 nebo posílení APOE2však, naživu testy celotělového a buněčného specifického přepínání byly omezeny. To, co lidé chtějí vědět, je jednoduché: pokud by bylo možné gen v dospělosti změnit, skutečně by se zlepšil mozek?

K vyhodnocení je zapotřebí další výzkum účinnostbezpečnost a typy cílových buněk.

Vytvoření modelu přepínače APOE4-APOE2

Vyšetřovatelé zkonstruovali linku myši „APOE switch“ (APOE4s2) nesoucí floxovaného člověka APOE4 kódující exon následovaný lidským APOE2. Tamoxifenem aktivovatelný Cre rekombináza Estrogenový receptor T (CreERT) umožnil dočasnou kontrolu alelické náhrady.

Globální přepínání (APOE4s2G) bylo dosaženo přechodem do všudypřítomně vyjádřeného CreERT; astrocytově specifické přepínání (Gongers2s) používá aldehyddehydrogenázu 1 člena rodiny L1 (Aldh1l1) promotorem řízená Cre rekombináza Estrogen Receptor T2 fúze (CreERT2) (Aldh1l1-CreERT2) primárně omezit náhradu na astrocyty v centrální části nervový systémi když se objevil nějaký periferní výraz.

Validace konverze alel a systémového profilování lipidů

Alelová konverze byla ověřena v játrech a mozku pomocí kvantitativní polymerázové řetězové reakce (qPCR) a kapalinová chromatografie-tandemová hmotnostní spektrometrie (LC-MS/MS) peptidové profilování APOE jak v mozku, tak v plazmě.

Systémové účinky na lipidy byly profilovány při normální stravě a západní dietě s lipoproteinovou frakcionací lipoproteinů s velmi nízkou hustotou (VLDL), lipoprotein s nízkou hustotou (LDLa lipoprotein s vysokou hustotou (HDL) a enzymatický imunosorbentní test (ELISA) kvantifikace ApoE (protein) a triglyceridů.

Cerebrální lipidomika a transkriptomika specifická pro buňky

Cerebrální lipidomika se používá necíleně LC-MS/MS a analýza vážené genové koexpresní sítě (WGCNA) se zaměřením na fosfatidylcholin (PC), fosfatidylethanolamin (PE), ceramid (CERa lyso-fosfatidylcholin (LPC) druhy.

Jednobuněčné sekvenování ribonukleové kyseliny v celém mozku (scRNA-seq) definoval odlišně exprimované geny a dráhy genové ontologie napříč astrocyty, mikrogliemi, oligodendrocyty, endoteliálními buňkami a dalšími. Kvůli nemoci, Gongers2s myši byly zkříženy s pěti familiárním mutačním modelem Alzheimerovy choroby (5xFAD).

Poznání bylo testováno podmiňováním strachu a Morrisovým vodním bludištěm. Histopatologicky kvantifikovaný amyloid-beta (Ap 40/42), gliální fibrilární kyselý protein (GFAP), ionizovaná molekula adaptéru vázající vápník 1 (IBA1), hlavní histokompatibilní komplex třídy II (MHC-II), ApoE související s plakem, cerebrální amyloidní angiopatie (CAA), a zonula ocludens-1 (ZO1).

Globální substituční účinky na lipidy a mozkové dráhy

Globální indukce převedena APOE4 na APOE2 účinně na obou messenger RNA (mRNA) a hladiny proteinů v játrech a mozku, jak bylo prokázáno LC-MS/MScož odhalilo, že velká většina detekovaných ApoE peptidů byla jedinečná pro ApoE2 po výměně.

Systémově globální přepínání zvýšilo plazmatické ApoE a triglyceridy a zvýšilo se VLDL frakce, rekapitulující rysy hyperlipoproteinémie typu III pozorované u podskupiny APOE2 homozygotní lidé. V mozku odhalila necílená lipidomika selektivní remodelaci s četnými druhy fosfatidylcholinu a ceramidu změněnými po změně.

A WGCNA modrý lipidový modul, obohacený o PC a PEkoreluje s přechodem z ApoE4 na ApoE2, což ukazuje na koordinované přepojení membránových a signalizačních lipidů důležitých pro synaptickou funkci a gliovou komunikaci.

Transkripční posuny pro dospělé po úpravě APOE

ScRNA-seq odhalilo, že jednoměsíční přechod od APOE4 na APOE2 v dospělosti změnily mozkové transkripční programy napříč různými typy buněk, zejména astrocyty, oligodendrocyty, mikrogliemi a endoteliálními buňkami.

Diferenciálně exprimované geny se překrývaly se seznamy Alzheimerovy choroby s pozdním nástupem z lidských datových souborů a konvergovaly na metabolismu, redoxní kontrole, neurotransmisi a drahách cytoskeletu nebo vaskulární integrity. Tato zjištění ukazují, že podpisy se často připisují celoživotnímu APOE4 projevy jsou v dospělosti překvapivě tvárné.

Účinky náhrady APOE2 omezené na astrocyty

Vzhledem k tomu, že astrocyty jsou hlavním zdrojem centrálního nervového systému ApoE, tým testoval náhradu omezenou na astrocyty z APOE4 na APOE2. Třídění buněk a qPCR potvrdily účinné, buněčně specifické přepínání s mírným posunem na úrovni celého mozku, v souladu s převahou astrocytů.

Přepínání pouze astrocytů rekapitulovalo mnoho globálních transkripčních změn, včetně podstatného překrývání s pozdním nástupem genů pro Alzheimerovu chorobu a termíny dráhy související s neurotransmisí, redoxním stavem a transportem metabolitů.

Zejména mikroglie a oligodendrocyty, které stále exprimují APOE4 přesto vykazoval četné odlišně exprimované geny, což ukazuje na nebuněčně autonomní účinky ApoE2 odvozeného z astrocytů.

Výsledky přepínání APOE2 v modelu 5xFAD

V 5xFAD model, přechod pouze astrocytů na ApoE2 vedl ke zlepšení předurčení strachu, přičemž samice myší vykazovaly silnější zlepšení v kontextuální a cued paměti, ale s omezenými účinky v Morrisově vodním bludišti. Amyloidní patologie se snížila: zátěž plaky klesla (s vyšší výchozí hodnotou u žen) a Ap 40 a Ap 42 od ELISA byly sníženy.

Mozková amyloidní angiopatie nebyla snížena a protein těsného spojení ZO1 byl nezměněn. Tlumená glióza: GFAP a IBA1 poklesl, mikroglie s aktivovanou odezvou se snížila, ApoE související s plakem se zmenšil a markery spojené s mikrogliálním onemocněním spouštěcí receptor exprimovaný na myeloidních buňkách 2 (TREM2) a lektinovou doménu typu C obsahující 7A (CLEC7A) byly sníženy.

Terapeutické důsledky post-vývojové úpravy APOE

Indukovatelné post-vývojové nahrazení APOE4 s APOE2 u dospělých myší rychle remodeluje metabolismus, přepojuje lipidové třídy centrální membrány a signalizaci a přeprogramuje mozkové transkriptomy specifické pro buněčný typ. Samotné přepínání s omezením astrocytů snižuje parenchymální amyloid, snižuje plak-proximální gliózu, posouvá mikroglie pryč od aktivovaných fenotypů, snižuje ApoE spojené s plakem a zlepšuje asociativní paměť.

Tyto údaje naznačují, že povývojové, cílené na buňky APOE editace by mohla upravit několik cest Alzheimerovy choroby najednou. Translace bude vyžadovat vyvážení přínosů centrálního nervového systému s periferními riziky, jako je hyperlipoproteinémie typu III a další APOE2– přidružené poruchy (např. melanom, věkem podmíněná makulární degenerace). To bude zahrnovat zvážení odpovědí specifických pro pohlaví a definování dávky, načasování, trvanlivosti a strategií podávání pro bezpečnou a spravedlivou klinickou aplikaci.