《Nature Aging》：Proteomic signatures of the APOE ε4 and APOE ε2 genetic variants and Alzheimer’s disease
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摘要：APOE基因座是阿尔茨海默病(Alzheimer's disease, AD)最强的遗传危险因素，其中ε4等位基因增加、ε2等位基因降低患病风险，但这两种相反效应的分子基础尚不清楚。研究人员在GNPC、BioFINDER-2、ADNI、UK BioBan
摘要：APOE基因座是阿尔茨海默病(Alzheimer's disease, AD)最强的遗传危险因素，其中ε4等位基因增加、ε2等位基因降低患病风险，但这两种相反效应的分子基础尚不清楚。研究人员在GNPC、BioFINDER-2、ADNI、UK BioBank和PPMI队列中，对血浆和脑脊液(cerebrospinal fluid, CSF)进行了多队列蛋白质组学分析。研究发现，APOE相关的蛋白改变在淀粉样蛋白(amyloid β, Aβ)病理出现之前即可被检测到，且随年龄增长和疾病进展保持稳定。APOE2相关的蛋白富集于细胞维持(celluar maintenance)和抗炎过程相关通路；相比之下，APOE4表现出有限的上游介导因子，与细胞周期和少突胶质前体细胞(oligodendrocyte precursor cell, OPC)生物学相关，而反映血管、免疫和蛋白稳态(proteostasis)功能障碍的更广泛蛋白群则受下游病理塑造。比较分析强调了等位基因特异性介导因子及反向调控的蛋白对差异疾病风险的贡献。综上，这些发现揭示APOE2和APOE4通过不同的分子架构塑造AD风险，并确定了可用于等位基因特异性干预的候选生物标志物和靶点。
本文解读基于发表于《Nature Aging》的论文"Proteomic signatures of the APOE ε4 and APOE ε2 genetic variants and Alzheimer's disease"。
【研究背景】
载脂蛋白E(apolipoprotein E, APOE)基因是散发性阿尔茨海默病(Alzheimer's disease, AD)最强的遗传决定因子，三个主要等位基因为ε2、ε3和ε4。相较于ε3，APOE4(即携带ε4等位基因)呈剂量依赖性增加AD风险（杂合子约2～3倍，纯合子达12倍），且与Aβ聚集相关；APOE2携带者则降低AD风险及Aβ负荷，并在高外显率AD突变携带者中延迟发病。既往蛋白质组学研究虽报道了APOE4相关的广泛蛋白改变，尤其涉及免疫调节，但存在以下不足：(1)未充分区分认知未受损(cognitively unimpaired, CU)个体中早期Aβ病理的影响，难以区分是APOE固有效应还是下游病理驱动；(2)APOE2缺乏系统性大规模蛋白质组学表征，两等位基因间保护性与风险性分子机制的差异不明；(3)多数研究依赖单一队列、单一组织（血浆或脑脊液cerebrospinal fluid, CSF）或单一蛋白质组平台，泛化性受限。为此，研究人员通过开展跨队列、跨平台、跨体液（血浆与CSF）的多组学蛋白质组学分析，结合上游—下游中介(mediation)框架，系统解析APOE ε2与ε4等位基因关联的分子特征及其与AD风险的关系。
【主要关键技术方法】
研究人员整合五个独立队列：GNPC（Global Neurodegeneration Proteomics Consortium，N=3,289，血浆，SomaLogic 7K）、BioFINDER-2（血浆SomaLogic 7K及脑脊液OLINK Explore 3072，含CSF Aβ42/40确诊AD状态）、ADNI（Alzheimer's Disease Neuroimaging Initiative，CSF SomaLogic 7K及TMT-MS串联质谱）、UK BioBank（UKBB，血浆OLINK Explore 3072）和PPMI（Parkinson's Progression Markers Initiative，CSF OLINK，纵向数据）。采用线性模型分别评估APOE4（ε3/ε4+ε4/ε4 vs ε3/ε3）和APOE2（ε2/ε2+ε2/ε3 vs ε3/ε3）携带者的差异蛋白丰度，同时评估临床AD诊断或Aβ状态的蛋白关联；建立上游中介模型（APOE → 蛋白 → AD诊断/Aβ状态）与下游介导模型（APOE → AD诊断/Aβ状态 → 蛋白），将APOE关联蛋白划分为AD介导蛋白、病理介导蛋白、APOE特异性蛋白及非特异性蛋白；进一步进行细胞类型富集（ROSMAP脑图谱、血脑屏障(blood-brain barrier, BBB)图谱、Human Protein Atlas）、GO(Gene Ontology)生物学过程富集、BINN(Biologically Informed Neural Network)通路分析、蛋白互作(protein-protein interaction, PPI)分析、AD全基因组关联研究(genome-wide association study, GWAS)编码区SNP验证及Allen人脑转录组与APOE空间共表达分析；纵向稳定性用PPMI的线性混合效应模型评估。
【研究结果】
The APOE-plasma protein signature and its role in clinical AD in the GNPC cohort（GNPC队列中APOE血浆蛋白特征及其在临床AD中的作用）
在GNPC血浆中，APOE2携带者较ε3/ε3有192个显著改变蛋白（如上调UNG、VPS29、BIRC2，下调BCDIN3D、S100A13），其中99个为APOE2特有且与AD无显著关联；73%（140/192）在CU个体中已出现且效应量与全队列高度相关（r=0.874），表明APOE2信号早于疾病出现并在衰老中稳定。中介分析显示54个蛋白符合APOE2→蛋白→AD上游介导（部分中介比例6%～92%），21个为APOE2→AD→蛋白的下游病理介导。按机制细分为四类：AD介导蛋白（N=54，上游，上调富集于未分化细胞/脂肪细胞/红细胞等，涉及基因表达/翻译、蛋白与表观遗传调控、DNA修复，即改善细胞维持；下调富集于少突胶质细胞(oligodendrocyte)，涉及免疫/炎症信号抑制）；AD介导蛋白（N=21，下游，上调富集星形胶质细胞，涉及小蛋白连接/凋亡，提示适应不良激活）；APOE2特异性蛋白（N=98，不与AD关联，富集外周肺泡细胞等，涉及神经发育与应激反应微调）；非特异性蛋白（N=19）。说明APOE2通过稳定的组成型程序促进细胞稳态与应激抑制发挥保护作用。
APOE4-related proteins are easily invaded by AD and produce a pathological cascade reaction（APOE4相关蛋白易受AD侵袭并产生病理性级联反应）
GNPC血浆中APOE4携带者鉴定出357个显著改变蛋白，但39%的关联在校正AD诊断后失去显著性，说明APOE4特征更易受病理影响；仅45%（161/357）在CU个体中可检测。中介分析仅16个蛋白符合APOE4→蛋白→AD上游介导（如SPC25、LRRN1、ARL2、NEFL，最高中介比49%），其余200个主要为APOE4→AD→蛋白的下游病理重塑。四类细分显示：上游介导蛋白上调富集于少突胶质前体细胞(oligodendrocyte precursor cell, OPC)和平滑肌细胞（代谢与纺锤体检查点控制），下调富集细胞周期检查点；下游病理介导蛋白上调富集小胶质细胞、OPC和血管细胞（囊泡融合、突触信号、血小板活化），下调富集蛋白转运、免疫趋化与自噬，提示AD特征性重塑；APOE4特异性蛋白上调富集巨噬细胞/成纤维细胞（免疫分化、Notch/IL-6信号），下调富集蛋白分解代谢与RNA加工。表明APOE4使蛋白质组易感受病理驱动的重编程，少数上游因子联合广泛的下游级联放大AD风险。
APOE4 and APOE2: specificity, offset, and synergy（APOE4与APOE2：特异性、偏移与协同）
APOE2与APOE4关联蛋白大部分不重叠。SPC25和LRRN1仅作为APOE4的AD介导因子且在ε2/ε4杂合子中呈ε4显性；26个蛋白（如UNG、PCLAF）为APOE2特异性介导且呈ε2显性。ARL2和OTULIN为两者共享介导因子，提示线粒体和免疫通路汇聚。在CU个体中77个蛋白被两等位基因共同调控，仅少数为反向调控（如VPS29、PHGDH、FOXO1，可作为"开关节点"），多数（如S100A13、BCDIN3D、TBCA、ARL2）呈同向变化且ε4/ε4与ε2/ε4接近ε4/ε4模式——说明两等位基因并非镜像反转同一网络，而是通过不同上游介导架构与共享网络中调控强度的差异产生不对称蛋白质组模式，导致迥异AD风险。
Replication and the role of APOE in Aβ pathology in the BioFINDER-2 cohort（BioFINDER-2队列中结果的复现及APOE在Aβ病理中的作用）
在具Aβ生物标志物确认的BioFINDER-2中，APOE4关联蛋白33%可复现，APOE2关联蛋白26%可复现（大体效应量大者更易复现）。在Aβ?亚组中分别有43个APOE2关联蛋白（如APOB、SNAP23、WARS2、PCLAF为上游完全中介，ε2显性）和65个APOE4关联蛋白（8个如SPC25、TBCA、S100A13、BCDIN3D部分中介APOE4→Aβ状态，中介比4%～35%，ε4显性剂量依赖）。S100A13与APOE4交互作用显示低S100A13增强APOE4与Aβ阳性关联。证实APOE驱动改变早于Aβ且独立于Aβ，APOE2主要具上游保护性中介，APOE4兼具少数上游中介与大量Aβ下游重塑。
Extending mediation analysis to CSF proteomics（将中介分析扩展至脑脊液蛋白质组学）
ADNI CSF SomaLogic中78% APOE2关联蛋白及34% APOE4关联蛋白在Aβ?中已存在，效应方向与血浆大体一致。24个APOE4关联蛋白具上游介导APOE4→蛋白→Aβ状态（最高中介比96%），其中S100A13、TBCA、BCDIN3D与血浆中介重叠；SPC25在CSF中不介导，可能受胆碱酯酶抑制剂(cholinesterase inhibitor, ChEI)用药或组织来源差异影响。因ADNI中ε2携带者少(N=46)未鉴定到APOE2 CSF中介。
Assessing APOE signature in other proteomics platforms（在其他蛋白质组平台中评估APOE特征）
跨平台（TMT-MS质谱、OLINK）和跨体液（血浆vs CSF）总体一致性有限——主要受靶标覆盖、检测原理及生物区室差异影响。部分蛋白（PLA2G7、LDLR）在UKBB血浆OLINK中与主结果方向一致。个别蛋白（S100A13、TBCA、NEFL）跨平台效应方向不一，提示不同平台捕获分子特征有别。NEFL(neurofilament light chain)示例显示：血浆SomaLogic中APOE4携带者有基因剂量依赖性NEFL降低（基因型主导），CSF中NEFL主要受Aβ病理主导，但SomaLogic仍可检出CSF中APOE相关降低，说明基因型效应在血浆更清晰、在CSF被病理掩盖但不完全消失。
Genetic and transcriptomic support for APOE-associated mediators（APOE关联介导因子的遗传与转录组学支持）
在至少两个数据集重复的关键APOE4介导因子（S100A13、TBCA、BCDIN3D、CDA、DCUN1D5、SPC25、ARL2、NEFL）中，5个编码基因含与AD或CSF Aβ42关联的GWAS SNPs；4个关键APOE2介导因子（APOB、SNAP23、WARS2、PCLAF）编码基因均获SNP关联支持。Allen人脑转录组显示123个APOE4关联蛋白编码基因、58个APOE2关联蛋白编码基因与APOE空间共表达（如S100A13、PHGDH、LRRN1正相关；ST8SIA1、NEFL、ZW10负相关）。ROSMAP死后脑组织中APOE基因型对中介基因表达影响有限，AD诊断是转录变化主因——体现蛋白水平受转录后调控及外周/中枢整合信号影响。
Exploration of longitudinal APOE–protein associations in CSF（CSF中APOE–蛋白关联的纵向探索）
PPMI CSF OLINK纵向分析显示绝大多数APOE–蛋白关联不随时间显著变化（仅PRSS8、NEFL与APOE4，SIGLEC1与APOE2有名义交互），支持APOE相关蛋白特征在时间上的稳定性。
【讨论与结论总结】
研究人员通过多队列、跨平台血浆与CSF蛋白质组学分析及上游—下游中介框架，系统描绘了APOE ε4与ε2等位基因关联的蛋白质组特征及其与AD易感性的关系。关键结论如下：
APOE2通过稳定、组成型的上游介导程序（涉及内吞运输如SNAP23、脂质转运代谢如APOB、线粒体翻译如WARS2、DNA修复如PCLAF、细胞维持与抗炎）促进细胞稳态与应激抑制，多数APOE2关联蛋白早于Aβ病理出现、不受年龄与疾病阶段影响，仅有少量被下游病理重塑，体现保护性"韧性(resilience)"程序。
APOE4仅有少数上游介导因子（如SPC25—动粒组装/小胶质细胞增殖关联、S100A13—细胞衰老关联、TBCA—细胞骨架、ARL2—线粒体、ZW10—纺锤体检查点，富集于OPC和细胞周期失调），而绝大多数关联蛋白为APOE4→AD/Aβ→蛋白的下游病理介导，涉及小胶质细胞活化、血管异常、免疫趋化受损及自噬下降，表明APOE4使蛋白质组易于感受并放大Aβ驱动的病理重编程。
二者非镜像关系：拥有各自特异介导蛋白集合；少数共有共调控蛋白中，反向调控者（VPS29、PHGDH、FOXO1等）可能是决定分歧轨迹的"开关节点"，多数同向调控者受ε4显性调控放大易感性。
跨平台/跨体液一致性受检测技术与组织来源限制，但关键血浆介导蛋白获CSF SomaLogic复现、AD GWAS编码SNP支持及人脑与APOE空间共表达佐证，且纵向稳定。
总之，APOE2和APOE4通过截然不同的分子架构——APOE2维持稳态与抗应激的 constitutive保护程序，APOE4建立易感受病理重塑的脆弱状态（尤指细胞周期失调、细胞骨架完整性受损及线粒体功能异常）——塑造差异AD风险；鉴定出的Aβ?阶段即存在的等位基因特异性上游蛋白可作为早期检测生物标志物及等位基因特异性预防干预的候选靶点。
