Аполипопротеин E и болезнь Альцгеймера: роль и эволюция

Введение

Белок, транспортирующий холестерин, наиболее тесно связан с болезнью Альцгеймера.

Аполипопротеин Е (Apo E) – это белок, участвующий в метаболизме жиров у млекопитающих. Один из его субтипов связан с болезнью Альцгеймера и сердечно-сосудистыми заболеваниями. У человека он кодируется геном APOE. Apo E принадлежит к семейству белков, связывающих жиры, называемых аполипопротеинами. В кровотоке он присутствует в составе нескольких классов частиц липопротеинов, включая остатки хиломикронов, VLDL, IDL и некоторые HDL. APOE значительно взаимодействует с рецептором липопротеинов низкой плотности (LDLR), который необходим для нормального метаболизма (катаболизма) липопротеинов, богатых триглицеридами. В периферических тканях APOE преимущественно продуцируется печенью и макрофагами и опосредует метаболизм холестерина. В центральной нервной системе Apo E в основном вырабатывается астроцитами и транспортирует холестерин к нейронам через рецепторы APOE, которые являются членами семейства генов рецепторов липопротеинов низкой плотности. APOE выступает в качестве ингибитора контрольной точки классического пути комплемента, образуя комплекс с активированным C1q.

Эволюция

Аполипопротеины не уникальны для млекопитающих. Многие наземные и морские позвоночные имеют их аналоги. Считается, что APOE возник в результате дупликации гена APOC1 до разделения рыб и четвероногих около 400 миллионов лет назад. Белки, сходные по функции, были обнаружены у хоанофлагеллят, что позволяет предположить, что они представляют собой очень древний класс белков, существовавший до появления всех живых животных. Три основных аллеля человека (E4, E3, E2) возникли после разделения приматов и людей примерно 7,5 миллионов лет назад. Эти аллели являются результатом несинонимичных мутаций, приведших к изменениям в функциональности. Первым появившимся аллелем был E4. После разделения приматов и людей в человеческой линии произошло четыре изменения аминокислот, три из которых не оказали влияния на функцию белка (V174L, A18T, A135V). Четвёртая замена (T61R) привела к замене треонина на аргинин, что изменило функциональность белка. Эта замена произошла где-то в промежутке между 6 миллионами лет, прошедшими после разделения приматов и людей, и разделением людей и денисовцев, поскольку точно такие же замены были обнаружены в APOE денисовцев. Около 220 000 лет назад в гене APOE4 произошла замена цистеина на аргинин в аминокислоте 112 (Cys112Arg), что привело к образованию аллеля E3. Наконец, 80 000 лет назад другая замена аргинина на цистеин в аминокислоте 158 (Arg158Cys) гена APOE3 привела к образованию аллеля E2. В меланоцитарных клетках экспрессия гена APOE может регулироваться MITF.

Белок

APOE состоит из 299 аминокислот и содержит множество амфипатических α-спиралей. Согласно данным кристаллографии, шарнирный участок соединяет N- и C-концевые области белка. N-концевая область (остатки 1–167) формирует антипараллельный четырехспиральный пучок, при этом неполярные стороны обращены внутрь белка. В то же время, C-концевый домен (остатки 206–299) содержит три α-спирали, которые формируют большую экспонированную гидрофобную поверхность и взаимодействуют с N-концевым спиральным пучком посредством водородных связей и ионных связей. C-концевая область также содержит сайт связывания с рецептором липопротеинов низкой плотности (LDLR).

Полиморфизмы

APOE является полиморфным, с тремя основными аллелями (эпсилон 2, эпсилон 3 и эпсилон 4): APOE ε2 (cys112, cys158), APOE ε3 (cys112, arg158) и APOE ε4 (arg112, arg158). Хотя эти аллельные формы отличаются друг от друга лишь одной или двумя аминокислотами в позициях 112 и 158, эти различия изменяют структуру и функцию APOE. Существует несколько редких полиморфизмов APOE. APOE5 имеет два подтипа E5f и E5s, основанных на скорости миграции. Комбинация APOE5 E5f и APOE7 была обнаружена у 2,8% японских мужчин. APOE7 представляет собой мутацию APOE3 с двумя остатками лизина, заменяющими остатки глутаминовой кислоты в позициях 244 и 245. Полиморфизм. Частота аллелей в мире. Значение для заболеваний. ε2 (rs7412 T, rs429358 T) 8,4%. Этот вариант апопротеина плохо связывается с рецепторами клеточной поверхности, в то время как E3 и E4 связываются хорошо. E2 связана как с повышенным, так и с пониженным риском развития атеросклероза. У людей с комбинацией E2/E2 может наблюдаться медленное выведение жиров из рациона и повышенный риск ранних сосудистых заболеваний, а также генетического расстройства – гиперлипопротеинемии III типа. 94,4% людей с этим заболеванием имеют генотип E2/E2, но только около 2% из них действительно заболевают, поэтому, вероятно, участвуют и другие факторы окружающей среды и генетики (например, содержание холестерина в рационе и возраст). E2 также была связана с болезнью Паркинсона, но это не было подтверждено в более крупном исследовании ассоциации с популяцией. ε3 (rs7412 C, rs429358 T) 77,9%. Болезнь Альцгеймера, нарушение когнитивных функций, уменьшение объема гиппокампа, ВИЧ, более быстрое прогрессирование рассеянного склероза, неблагоприятный исход после черепно-мозговой травмы, ишемическая цереброваскулярная болезнь, апноэ во сне, удлинение и укорочение теломер, снижение роста нейритов и COVID-19. Однако E4 также связана с повышенным уровнем витамина D и кальция, более высокой фертильностью, защитой от инфекций и недоедания в раннем детстве, а также снижением мертворождаемости, перинатальной и младенческой смертности. О изоформах APOE, включая взаимодействие других защитных генов, еще многое предстоит узнать. Действительно, в некоторых случаях изоформа аполипопротеина ε4 более защищает от когнитивного снижения, чем другие изоформы. Однако связь между аллелем APOE4 и болезнью Альцгеймера оказалась слабее в группах меньшинств по сравнению с представителями европеоидной расы. У европеоидов, гомозиготных по этому аллелю, риск был в 12,5 раз выше. APOE, синтезируемый в печени, ассоциируется с ЛПВП, который затем может распределять его по вновь образованным ЛПОНП или частицам хиломикронов, чтобы облегчить их последующее поглощение печенью. В нервной системе основными производителями APOE являются ненейрональные типы клеток, в частности астроглии и микроглия, в то время как нейроны преимущественно экспрессируют рецепторы APOE. В настоящее время у млекопитающих идентифицировано семь рецепторов APOE, которые относятся к эволюционно консервативному семейству LDLR. APOE изначально был признан важным в метаболизме липопротеинов и сердечно-сосудистых заболеваниях. Дефекты APOE приводят к семейной дисбеталипопротеинемии, также известной как гиперлипопротеинемия III типа (ГЛП III), при которой повышенный уровень холестерина и триглицеридов в плазме крови является следствием нарушения клиренса хиломикронов, ЛПОНП и ЛПНП. В области иммунной регуляции все больше исследований указывают на взаимодействие APOE со многими иммунологическими процессами, включая подавление пролиферации Т-клеток, регуляцию функционирования макрофагов, облегчение представления липидных антигенов (CD1) к естественным Т-киллерам, а также модуляцию воспаления и окисления. APOE продуцируется макрофагами, и было показано, что секреция APOE ограничена классическими моноцитами в PBMC, а секреция APOE моноцитами снижается под воздействием провоспалительных цитокинов и повышается под воздействием TGF-бета.

APOE is polymorphic, with three major alleles (epsilon 2, epsilon 3, and epsilon 4): APOE ε2 (cys112, cys158), APOE ε3 (cys112, arg158), and APOE ε4 (arg112, arg158). Although these allelic forms differ from each other by only one or two amino acids at positions 112 and 158, these differences alter APOE structure and function. There are several low frequency polymorphisms of APOE. APOE5 comes in two subtypes E5f and E5s, based on migration rates. APOE5 E5f and APOE7 combined were found in 2.8% of Japanese males. APOE7 is a mutation of APOE3 with two lysine residues replacing glutamic acid residues at positions 244 and 245. Polymorphism Worldwide allele frequency Disease relevance ε2 (rs7412 T, rs429358 T) 8.4% This variant of the apoprotein binds poorly to cell surface receptors while E3 and E4 bind well. E2 is associated with both increased and decreased risk for atherosclerosis. Individuals with an E2/E2 combination may clear dietary fat slowly and be at greater risk for early vascular disease and the genetic disorder type III hyperlipoproteinemia—94.4% of people with such disease are E2/E2 but only ~2% of E2/E2 develop it, so other environmental and genetic factors are likely to be involved (such as cholesterol in the diet and age). E2 has also been implicated in Parkinson's disease, but this finding was not replicated in a larger population association study. ε3 (rs7412 C, rs429358 T) 77.9% Alzheimer's disease, impaired cognitive function, reduced hippocampal volume, HIV, faster disease progression in multiple sclerosis, unfavorable outcome after traumatic brain injury, ischemic cerebrovascular disease, sleep apnea, both the extension and shortening of telomeres, reduced neurite outgrowth, and COVID 19. However, E4 has also been associated with enhanced vitamin D and calcium status, higher fecundity, protection against early childhood infection and malnutrition, and decreased fetal, perinatal, and infant mortality. Much remains to be learned about the APOE isoforms, including the interaction of other protective genes. Indeed, the apolipoprotein ε4 isoform is more protective against cognitive decline than other isoforms in some cases,

However, the association between the APOE4 allele and Alzheimer's disease has been shown to be weaker in minority groups differently compared to their Caucasian counterparts. Caucasians who were homozygous for the allele had 12.5 times the odds. APOE synthesized in the liver associates with HDL which can then distribute it to newly formed VLDL or chylomicron particles to facilitate their eventual uptake by the liver. In the nervous system, non neuronal cell types, most notably astroglia and microglia, are the primary producers of APOE, while neurons preferentially express the receptors for APOE. There are seven currently identified mammalian receptors for APOE which belong to the evolutionarily conserved LDLR family. APOE was initially recognized for its importance in lipoprotein metabolism and cardiovascular disease. Defects in APOE result in familial dysbetalipoproteinemia aka type III hyperlipoproteinemia (HLP III), in which increased plasma cholesterol and triglycerides are the consequence of impaired clearance of chylomicron, VLDL and LDL. In the field of immune regulation, a growing number of studies point to APOE's interaction with many immunological processes, including suppressing T cell proliferation, macrophage functioning regulation, lipid antigen presentation facilitation (by CD1) to natural killer T cell as well as modulation of inflammation and oxidation. APOE is produced by macrophages and APOE secretion has been shown to be restricted to classical monocytes in PBMC, and the secretion of APOE by monocytes is down regulated by inflammatory cytokines and upregulated by TGF beta.

Атеросклероз

У нокаутных мышей, у которых отсутствует ген аполипопротеина Е (APOE−/−), при кормлении диетой с высоким содержанием жиров развивается выраженная гиперхолестеринемия.

Малярия

У мышей с нокаутом по гену APOE−/− наблюдается выраженное ослабление малярии головного мозга и повышение выживаемости, а также уменьшение секвестрации паразитов и Т-клеток в головном мозге, вероятно, благодаря защите гематоэнцефалического барьера. Исследования на людях показали, что полиморфизм APOE2 связан с более ранним заражением, а полиморфизмы APOE3/4 повышают риск развития тяжелой малярии.

Лаймская болезнь

Borrelia burgdorferi, возбудитель болезни Лайма, – это патоген, адаптированный к хозяину, который использует холестерин из окружающей среды для синтеза гликолипидов, необходимых для поддержания клеточных мембран. В эксперименте, проведенном в 2015 году, мыши с дефицитом apoE были инфицированы спирохетами Borrelia. У мышей с нокаутом apoE наблюдалась более высокая концентрация спирохет в суставах и воспаление лодыжек по сравнению с мышами дикого типа. Данное исследование позволяет предположить, что дефицит apoE (и, возможно, другие гиперлипидемии) может являться фактором риска развития патогенности при болезни Лайма.