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找到遺忘的“機(jī)關(guān)”!西湖大學(xué)施一公研究組發(fā)現(xiàn)阿爾茲海默癥最強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)因子APOE4受體

來(lái)源:西湖大學(xué)      2023-01-11
導(dǎo)讀:近日,西湖大學(xué)施一公團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域取得顛覆性的原創(chuàng)發(fā)現(xiàn)。2023年1月2日,團(tuán)隊(duì)于《細(xì)胞研究》(Cell Research)在線發(fā)表題為《LilrB3是APOE4表面受體》(LilrB3 is a putative cell surface receptor of APOE4)的研究論文(已被選為當(dāng)期封面文章),首次報(bào)道發(fā)現(xiàn)了一個(gè)能夠特異性結(jié)合APOE4蛋白,而幾乎不和APOE2蛋白結(jié)合的免疫檢查點(diǎn)受體蛋白LilrB3;換句話說(shuō),他們找到了阿爾茲海默癥導(dǎo)致遺忘的“機(jī)關(guān)”。

今天出家門的時(shí)候,門關(guān)上了嗎?迎面和我打招呼的這個(gè)人,叫什么名字?鍋里滋啦作響的這盤菜,放過(guò)鹽了嗎?……在日常生活中,我們經(jīng)常碰到“想不起來(lái)”的事情,此刻我們的第一反應(yīng)往往有:糟糕,我是不是得阿爾茲海默癥了?

這種擔(dān)憂并不是空穴來(lái)風(fēng)。目前,全球約有5000萬(wàn)人罹患阿爾茲海默癥,它像是盤旋在人類頭頂上的鷲鷹,隨時(shí)等待蠶食人的記憶。然而,這類疾病的機(jī)理尚未明晰,“我們?yōu)槭裁磿?huì)忘記”,依然是未解之謎。

近日,西湖大學(xué)施一公團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域取得顛覆性的原創(chuàng)發(fā)現(xiàn)。2023年1月2日,團(tuán)隊(duì)于《細(xì)胞研究》(Cell Research)在線發(fā)表題為《LilrB3是APOE4表面受體》(LilrB3 is a putative cell surface receptor of APOE4)的研究論文(已被選為當(dāng)期封面文章),首次報(bào)道發(fā)現(xiàn)了一個(gè)能夠特異性結(jié)合APOE4蛋白,而幾乎不和APOE2蛋白結(jié)合的免疫檢查點(diǎn)受體蛋白LilrB3;換句話說(shuō),他們找到了阿爾茲海默癥導(dǎo)致遺忘的“機(jī)關(guān)”。

這一發(fā)現(xiàn)為我們理解阿爾茲海默癥的發(fā)病機(jī)制,以及展開針對(duì)性的藥物設(shè)計(jì),邁出了突破性的一步。

圖1?論文截圖
01
機(jī)理未明的阿爾茲海默癥

阿爾茲海默癥(Alzheimer’s Disease, AD),俗稱“老年癡呆”,是癡呆癥(Dementia)中最常見的類型,超過(guò)了其他常見的神經(jīng)退行性疾病如帕金森式綜合征、“漸凍人”ALS等疾病患病人數(shù)的總和。正如其俗名所示,阿爾茲海默癥多發(fā)于老齡人群;隨著我國(guó)人口老齡化日益顯著,中國(guó)現(xiàn)今約有1000萬(wàn)名的阿爾茲海默癥患者,排名世界第一。

“我感覺我的葉子要掉光了,風(fēng)雨裹挾著我的樹葉,我已經(jīng)搞不清楚所發(fā)生的一切”——電影《困在時(shí)間里的父親》中,由曾摘得奧斯卡最佳男主角的演員安東尼·霍普金斯扮演的阿爾茲海默癥患者,無(wú)助地道出了這類疾病的苦痛。數(shù)據(jù)顯示,從確診到離世,阿爾茲海默癥患者平均擁有4-8年的壽命,在此期間會(huì)經(jīng)歷失憶、語(yǔ)言障礙、認(rèn)知障礙直至全身衰竭,無(wú)論是對(duì)患者還是對(duì)親屬,都會(huì)造成巨大的傷痛和折磨。

然而時(shí)至今日,阿爾茲海默癥的原理仍尚未明確,我們對(duì)它的發(fā)生機(jī)制知之甚少。學(xué)界存在著幾種假說(shuō),Aβ假說(shuō)是其中較為主流的說(shuō)法之一,即β-淀粉樣蛋白(Aβ)過(guò)度表達(dá)聚集成了淀粉樣斑塊,這些在大腦里“意外”聚集的蛋白質(zhì),誘發(fā)了阿爾茲海默癥。基于此假說(shuō)的藥物研發(fā),盡管產(chǎn)生了一些富有爭(zhēng)議的結(jié)果,但遺憾的是目前沒有任何藥物能夠完全逆轉(zhuǎn)AD的疾病發(fā)展。全球最大制藥公司之一的輝瑞,盡管對(duì)AD藥物的市場(chǎng)評(píng)估價(jià)值超過(guò)了一萬(wàn)億美元,但受制于尚未明確的AD致病機(jī)理,也難以研發(fā)出真正有效果的藥物;2017年,輝瑞在經(jīng)歷了一系列失敗后退出了AD制藥嘗試。


02
最強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)基因:APOE4

“Genes never lie”,基因從不撒謊。亨廷頓疾病、唐氏綜合癥、乳腺癌……這些疾病曾經(jīng)困擾人類,從致病基因出發(fā)找到相應(yīng)的生化通路,進(jìn)而闡釋致病機(jī)理并開展藥物研發(fā),被一次又一次地證明是破解這些疾病最有效的方法。近30年來(lái),伴隨著基因測(cè)序技術(shù)的發(fā)展及AD病人基因庫(kù)信息的完善,全基因組關(guān)聯(lián)研究(GWAS)確定了APOE4是AD最強(qiáng)的風(fēng)險(xiǎn)基因。這引起了施一公研究組的重點(diǎn)關(guān)注。

APOE基因位于人類的第19號(hào)染色體上。正如我們所知道的,基因要行使功能,需要翻譯成蛋白質(zhì);APOE,主要負(fù)責(zé)編碼載脂蛋白E(即APOE蛋白)。

APOE蛋白,是人體載脂蛋白之一,主要參與人體脂蛋白的轉(zhuǎn)化和代謝,比如,我們?nèi)梭w肝臟所產(chǎn)生的膽固醇,可以“搭載”APOE蛋白,通過(guò)血液運(yùn)輸?shù)缴眢w的各個(gè)部位。APOE蛋白全長(zhǎng)有299個(gè)氨基酸,在人群中有APOE2、APOE3和APOE4三種亞型。這種差異是由一個(gè)微小變量引起的:在299個(gè)氨基酸中,當(dāng)兩個(gè)位點(diǎn)的氨基酸(第112個(gè)和158個(gè))不同時(shí),就會(huì)產(chǎn)生不同類型的APOE蛋白。

決定這一關(guān)鍵性氨基酸差異的,便是“生產(chǎn)”APOE蛋白的APOE基因。在基因中,每三個(gè)堿基編碼一個(gè)氨基酸。與APOE2、APOE3和APOE4蛋白相對(duì)應(yīng)的基因也存在三種形式,對(duì)應(yīng)這些蛋白亞型的差異僅僅存在于2個(gè)堿基上。然而這樣微小的差異,卻能蝴蝶效應(yīng)般引發(fā)人體巨大的生理差異。

從傳統(tǒng)意義上說(shuō),APOE基因主要與體內(nèi)的脂肪代謝功能相關(guān),但相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),它也指向了阿爾茲海默癥的不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。人類基因組是含有兩組染色體的二倍體,也就是說(shuō)任何基因都有兩個(gè)拷貝、兩個(gè)“待填選項(xiàng)”,在第19號(hào)染色體上亦然。科學(xué)家發(fā)現(xiàn),APOE2的攜帶者,不容易患AD。對(duì)于APOE4的攜帶者:當(dāng)基因中有一個(gè)拷貝的APOE4,AD患病幾率將增加3倍;當(dāng)兩個(gè)拷貝都是APOE4時(shí),AD的患病風(fēng)險(xiǎn)則會(huì)提高8-12倍,高出接近一個(gè)數(shù)量級(jí)。這意味著,APOE4的致病風(fēng)險(xiǎn)呈現(xiàn)明顯的劑量效應(yīng);此外,APOE4攜帶者的平均患病年齡也提早了4-6年以上。

正因如此,APOE4被視作是阿爾茲海默癥的最大風(fēng)險(xiǎn)基因。但事實(shí)上,APOE4APOE2基因所相差的僅僅是兩個(gè)堿基,它們的產(chǎn)物蛋白差的不過(guò)是兩個(gè)氨基酸。為何如此細(xì)小的差異能夠引發(fā)差之千里的效應(yīng)?施一公研究團(tuán)隊(duì)推測(cè),這背后或許正潛藏著破解AD之謎的關(guān)鍵信息。

他們有了一個(gè)樸素的疑問,是否存在“掌管”記憶的蛋白,與APOE4蛋白發(fā)生了相關(guān)關(guān)系呢?


03
“掌管”記憶的蛋白,它可能是誰(shuí)?

與此同時(shí),施一公團(tuán)隊(duì)也密切關(guān)注著另一領(lǐng)域的研究進(jìn)展:記憶。正如我們所熟知的,記憶衰退是AD最顯著的臨床表現(xiàn)之一。記憶是怎么形成的,眾說(shuō)紛紜,但它一直都是神經(jīng)生物學(xué)領(lǐng)域的圣杯。由此,施一公研究團(tuán)隊(duì)的目光逐漸聚焦到了另一號(hào)關(guān)鍵角色上:LilrB3蛋白。

2000年,猶太裔神經(jīng)科學(xué)家Eric Kandel獲得諾貝爾生理和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。他對(duì)于海兔神經(jīng)突觸可塑性的研究為大家提供了一個(gè)關(guān)于記憶的共識(shí):神經(jīng)突觸的連接和記憶的形成有很大的關(guān)系。

小膠質(zhì)細(xì)胞,正與神經(jīng)突觸密切相關(guān)。它是神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的一種,為中樞神經(jīng)系統(tǒng)的免疫細(xì)胞,能夠?qū)Υ竽X中的“垃圾”(比如死亡的神經(jīng)元)進(jìn)行清理,也能對(duì)神經(jīng)突觸進(jìn)行修剪(即“吃掉”,吞噬)。通常來(lái)講,人的神經(jīng)突觸數(shù)目在兩三歲左右達(dá)到峰值,也就是我們所說(shuō)的嬰兒“擁有無(wú)限可能”;此后,小膠質(zhì)細(xì)胞就會(huì)發(fā)揮作用,進(jìn)行剪切,除掉那些沒有被“訓(xùn)練”過(guò)的突觸;隨后,這類免疫細(xì)胞一般會(huì)進(jìn)入休眠期。

過(guò)去十年間,對(duì)大腦中的這一類免疫細(xì)胞的研究,產(chǎn)生了突破性的進(jìn)展。2011年,《科學(xué)》雜志首次報(bào)道了小膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)神經(jīng)突觸的吞噬作用是神經(jīng)發(fā)育重要的機(jī)制。2016年和2021年,《科學(xué)》兩度報(bào)道小膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)于神經(jīng)突觸的“剪切”功能會(huì)在AD患者中被異常激活,從而導(dǎo)致AD最大的癥狀“失憶”。也就是說(shuō),原本理應(yīng)在“沉睡”的小膠質(zhì)細(xì)胞,又“活躍”了,甚至開始亂“剪”神經(jīng)突觸了。

LilrB3蛋白,是一類主要在小膠質(zhì)細(xì)胞中表達(dá)的蛋白。與著名的免疫“檢查點(diǎn)”蛋白PD-1、SIRPα一樣,LilrB3也是一個(gè)免疫“檢查點(diǎn)”( 可理解為免疫功能“開關(guān)”)蛋白;它的下游是ITIM結(jié)構(gòu)域,控制著小膠質(zhì)細(xì)胞的激活——換句話說(shuō),小膠質(zhì)細(xì)胞是否“醒著”、能夠執(zhí)行功能,正與LilrB3有關(guān)。同時(shí),研究團(tuán)隊(duì)也注意到,早在2008年,美國(guó)科學(xué)院院士Carla Shatz就在《科學(xué)》發(fā)文報(bào)道人源蛋白LilrB3的鼠源同源蛋白PirB在神經(jīng)突觸“剪切”中扮演了重要的角色。所謂同源蛋白,意味著這兩種蛋白具有較高的相似性,而且功能也相近;這似乎在暗示LilrB3,可能與人體神經(jīng)突觸的剪切也有密切聯(lián)系……

然而,LilrB3蛋白長(zhǎng)期被歸類為“orphan receptor”(孤兒受體),它的受體一直未知。LilrB家族存在與APOE4發(fā)生結(jié)合的蛋白嗎?它會(huì)是LilrB3嗎?


04
從猜想到驗(yàn)證:最強(qiáng)基因和神秘蛋白的關(guān)系

綜合大量的研究成果以及實(shí)驗(yàn)探索,施一公研究團(tuán)隊(duì)逐漸建立起了一個(gè)關(guān)系到阿爾茲海默癥機(jī)理“另起山頭”的大膽猜測(cè):LilrB家族蛋白和APOE蛋白有相互作用,并且只和APOE4結(jié)合而不與APOE2結(jié)合。如果這種猜想成立,那么這種相互作用,有可能解釋了AD的生物化學(xué)原理:APOE4與LilrB蛋白的結(jié)合,“激活”小膠質(zhì)細(xì)胞,導(dǎo)致了神經(jīng)突觸的剪切,進(jìn)而致使失憶并引發(fā)AD。這樣的結(jié)合,是否正如游戲中的精巧“機(jī)關(guān)”,控制著記憶的消失?

這是一個(gè)原創(chuàng)性的猜想。下一步,便是驗(yàn)證這樣的猜想是否“道破天機(jī)”。

通過(guò)一系列生物化學(xué)實(shí)驗(yàn),研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)性地研究了LilrB人源家族的五個(gè)同源蛋白LilrB1/2/3/4/5和APOE三個(gè)亞型APOE2/3/4的相互作用。令人驚喜的是,最終,他們發(fā)現(xiàn)雖然LilrB1/2/3/4/5高度保守,但是LilrB3和APOE有特異性的結(jié)合。并且,正如預(yù)想的一樣,APOE4和LilrB3有結(jié)合,APOE3結(jié)合較弱,而APOE2幾乎完全不結(jié)合(圖2)。

圖2 LilrB3和APOE特異性結(jié)合

進(jìn)一步,他們也證實(shí)了小膠質(zhì)細(xì)胞因?yàn)檫@種結(jié)合而“蘇醒”的事實(shí),即APOE4在結(jié)合LilrB3之后,導(dǎo)致小膠質(zhì)細(xì)胞進(jìn)入激活狀態(tài)(圖3)。在敲除了LilrB3受體后,APOE4并不能引發(fā)小膠質(zhì)細(xì)胞的激活,證明了APOE4-LilrB3的結(jié)合對(duì)小膠質(zhì)細(xì)胞的激活特異性。

圖3 APOE4在結(jié)合LilrB3之后導(dǎo)致小膠質(zhì)細(xì)胞進(jìn)入激活狀態(tài)

同時(shí),本研究還通過(guò)生化實(shí)驗(yàn)證實(shí)了LilrB3的D2和D4結(jié)構(gòu)域,是APOE4的結(jié)合位點(diǎn),并通過(guò)生化實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了APOE2的NTD和CTD結(jié)合阻擋了結(jié)合位點(diǎn)這一模型,解釋了APOE4結(jié)合LilrB3而APOE2不結(jié)合的原因。此外,本研究還用冷凍電鏡解析了APOE4和LilrB3的結(jié)合結(jié)構(gòu)(圖4),揭示了結(jié)合細(xì)節(jié),進(jìn)一步證實(shí)了生化實(shí)驗(yàn)的猜測(cè)——這也是世界上第一個(gè)被解析的APOE蛋白和受體結(jié)合的結(jié)構(gòu)信息,可能為進(jìn)一步的藥物設(shè)計(jì)提供重要信息。

圖4 APOE4—LilrB3復(fù)合物整體結(jié)構(gòu)

綜上所述,本研究報(bào)道了APOE4在結(jié)合小膠質(zhì)細(xì)胞免疫檢查點(diǎn)蛋白LilrB3之后,可以導(dǎo)致小膠質(zhì)細(xì)胞進(jìn)入激活狀態(tài);該激活狀態(tài)最近也被其他文獻(xiàn)報(bào)道和阿茲海默癥的發(fā)病存在關(guān)聯(lián)。由此,本文找到的遺忘的“機(jī)關(guān)”,可能為APOE4導(dǎo)致AD提供了一個(gè)全新的分子機(jī)理解釋,為人類征服AD帶來(lái)了一線曙光。

阿爾茲海默癥領(lǐng)域?qū)θ祟悂?lái)說(shuō),一直是棘手的重大疾病;探尋其背后的機(jī)理,正猶如大海撈針,需要科研工作者天賦性的探索直覺,和沉住氣做基礎(chǔ)研究的毅力。本項(xiàng)研究始于2014年,從最初的猜想,到生化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提出模型,再到解出結(jié)構(gòu)并在細(xì)胞模型中得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果,完成對(duì)猜想的證明,歷經(jīng)八年,終鑄一劍。本文的共同通訊作者、共同第一作者,西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士后周家耀經(jīng)歷和見證了本項(xiàng)研究的全程,他介紹說(shuō)除了科學(xué)假說(shuō),本項(xiàng)研究中最難的,是做重大的、原創(chuàng)的基礎(chǔ)科學(xué)問題的“堅(jiān)持”和“勇氣”。在別人做一些相對(duì)簡(jiǎn)單但能發(fā)“大文章”的課題的時(shí)候,靜下心,沉住氣,“堅(jiān)持”做能改變世界的研究的初心。在博士5年級(jí)沒有任何成果無(wú)法畢業(yè)的情況下,仍不放棄繼續(xù)探索的“勇氣”,相信直覺,把路“走通”。

接下來(lái),施一公研究團(tuán)隊(duì)將延續(xù)本研究的成果,向阿爾茲海默癥的藥物研發(fā)發(fā)起新的征程。同時(shí),由于APOE基因、LilrB蛋白也與癌癥相關(guān),他們也將把視線同步投向抗癌領(lǐng)域。

西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院施一公教授和西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士后周家耀為本文的共同通訊作者。西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士后周家耀、清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士生王雨蒙為本文的共同第一作者。西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士后黃高興宇為結(jié)構(gòu)解析提供了幫助,安徽醫(yī)科大學(xué)朱昱敏副教授為RNA-seq數(shù)據(jù)分析提供了幫助。清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士后金辰、原科研助理?xiàng)蠲簦骱髮W(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士生敬丹、汲凱,參與了本研究的部分工作。本研究獲得了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、西湖大學(xué)和北京生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心(清華)的相關(guān)經(jīng)費(fèi)支持。

論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41422-022-00759-y

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