文 | 西湖大學
今天出家門的時候，門關上了嗎？迎面和我打招呼的這個人，叫什麼名字？鍋裡滋啦作響的這盤菜，放過鹽了嗎？……在日常生活中，我們經常碰到 " 想不起來 " 的事情，此刻我們的第一反應往往有：糟糕，我是不是得阿爾茲海默症了？
這種擔憂并不是空穴來風。目前，全球約有 5000 萬人罹患阿爾茲海默症，它像是盤旋在人類頭頂上的鹫鷹，随時等待蠶食人的記憶。然而，這類疾病的機理尚未明晰，" 我們為什麼會忘記 "，依然是未解之謎。
近日，西湖大學施一公團隊在該領域取得颠覆性的原創發現。2023 年 1 月 2 日，團隊于《細胞研究》（Cell Research）在線發表題為《LilrB3 是 APOE4 表面受體》（LilrB3 is a putative cell surface receptor of APOE4）的研究論文（已被選為當期封面文章），首次報道發現了一個能夠特異性結合 APOE4 蛋白，而幾乎不和 APOE2 蛋白結合的免疫檢查點受體蛋白 LilrB3；換句話說，他們找到了阿爾茲海默症導緻遺忘的 " 機關 "。
這一發現為我們理解阿爾茲海默症的發病機制，以及展開針對性的藥物設計，邁出了突破性的一步。
圖 1 論文截圖
論文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41422-022-00759-y
01
機理未明的阿爾茲海默症
阿爾茲海默症（Alzheimer ’ s Disease, AD），俗稱 " 老年癡呆 "，是癡呆症（Dementia）中最常見的類型，超過了其他常見的神經退行性疾病如帕金森式綜合征、" 漸凍人 "ALS 等疾病患病人數的總和。正如其俗名所示，阿爾茲海默症多發于老齡人群；随着我國人口老齡化日益顯著，中國現今約有 1000 萬名的阿爾茲海默症患者，排名世界第一。
" 我感覺我的葉子要掉光了，風雨裹挾着我的樹葉，我已經搞不清楚所發生的一切 " ——電影《困在時間裡的父親》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症患者，無助地道出了這類疾病的苦痛。數據顯示，從确診到離世，阿爾茲海默症患者平均擁有 4-8 年的壽命，在此期間會經曆失憶、語言障礙、認知障礙直至全身衰竭，無論是對患者還是對親屬，都會造成巨大的傷痛和折磨。
然而時至今日，阿爾茲海默症的原理仍尚未明确，我們對它的發生機制知之甚少。學界存在着幾種假說，A β 假說是其中較為主流的說法之一，即 β - 澱粉樣蛋白（A β）過度表達聚集成了澱粉樣斑塊，這些在大腦裡 " 意外 " 聚集的蛋白質，誘發了阿爾茲海默症。基于此假說的藥物研發，盡管産生了一些富有争議的結果，但遺憾的是目前沒有任何藥物能夠完全逆轉 AD 的疾病發展。全球最大制藥公司之一的輝瑞，盡管對 AD 藥物的市場評估價值超過了一萬億美元，但受制于尚未明确的 AD 緻病機理，也難以研發出真正有效果的藥物；2017 年，輝瑞在經曆了一系列失敗後退出了 AD 制藥嘗試。
02
最強風險基因：APOE4
"Genes never lie"，基因從不撒謊。亨廷頓疾病、唐氏綜合症、乳腺癌……這些疾病曾經困擾人類，從緻病基因出發找到相應的生化通路，進而闡釋緻病機理并開展藥物研發，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，伴随着基因測序技術的發展及 AD 病人基因庫信息的完善，全基因組關聯研究（GWAS）确定了 APOE4 是 AD 最強的風險基因。這引起了施一公研究組的重點關注。
APOE 基因位于人類的第 19 号染色體上。正如我們所知道的，基因要行使功能，需要翻譯成蛋白質；APOE，主要負責編碼載脂蛋白 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化和代謝，比如，我們人體肝髒所産生的膽固醇，可以 " 搭載 "APOE 蛋白，通過血液運輸到身體的各個部位。APOE 蛋白全長有 299 個氨基酸，在人群中有 APOE2、APOE3 和 APOE4 三種亞型。這種差異是由一個微小變量引起的：在 299 個氨基酸中，當兩個位點的氨基酸（第 112 個和 158 個）不同時，就會産生不同類型的 APOE 蛋白。
決定這一關鍵性氨基酸差異的，便是 " 生産 "APOE 蛋白的 APOE 基因。在基因中，每三個堿基編碼一個氨基酸。與 APOE2、APOE3 和 APOE4 蛋白相對應的基因也存在三種形式，對應這些蛋白亞型的差異僅僅存在于 2 個堿基上。然而這樣微小的差異，卻能蝴蝶效應般引發人體巨大的生理差異。
從傳統意義上說，APOE 基因主要與體内的脂肪代謝功能相關，但相關研究發現，它也指向了阿爾茲海默症的不同風險等級。人類基因組是含有兩組染色體的二倍體，也就是說任何基因都有兩個拷貝、兩個 " 待填選項 "，在第 19 号染色體上亦然。科學家發現，APOE2 的攜帶者，不容易患 AD。對于 APOE4 的攜帶者：當基因中有一個拷貝的 APOE4，AD 患病幾率将增加 3 倍；當兩個拷貝都是 APOE4 時，AD 的患病風險則會提高 8-12 倍，高出接近一個數量級。這意味着，APOE4 的緻病風險呈現明顯的劑量效應；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症的最大風險基因。但事實上，APOE4 和 APOE2 基因所相差的僅僅是兩個堿基，它們的産物蛋白差的不過是兩個氨基酸。為何如此細小的差異能夠引發差之千裡的效應？施一公研究團隊推測，這背後或許正潛藏着破解 AD 之謎的關鍵信息。
他們有了一個樸素的疑問，是否存在 " 掌管 " 記憶的蛋白，與 APOE4 蛋白發生了相關關系呢？
03
" 掌管 " 記憶的蛋白，它可能是誰？
與此同時，施一公團隊也密切關注着另一領域的研究進展：記憶。正如我們所熟知的，記憶衰退是 AD 最顯著的臨床表現之一。記憶是怎麼形成的，衆說紛纭，但它一直都是神經生物學領域的聖杯。由此，施一公研究團隊的目光逐漸聚焦到了另一号關鍵角色上：LilrB3 蛋白。
2000 年，猶太裔神經科學家 Eric Kandel 獲得諾貝爾生理和醫學獎。他對于海兔神經突觸可塑性的研究為大家提供了一個關于記憶的共識：神經突觸的連接和記憶的形成有很大的關系。
小膠質細胞，正與神經突觸密切相關。它是神經膠質細胞的一種，為中樞神經系統的免疫細胞，能夠對大腦中的 " 垃圾 "（比如死亡的神經元）進行清理，也能對神經突觸進行修剪（即 " 吃掉 "，吞噬）。通常來講，人的神經突觸數目在兩三歲左右達到峰值，也就是我們所說的嬰兒 " 擁有無限可能 "；此後，小膠質細胞就會發揮作用，進行剪切，除掉那些沒有被 " 訓練 " 過的突觸；随後，這類免疫細胞一般會進入休眠期。
過去十年間，對大腦中的這一類免疫細胞的研究，産生了突破性的進展。2011 年，《科學》雜志首次報道了小膠質細胞對神經突觸的吞噬作用是神經發育重要的機制。2016 年和 2021 年，《科學》兩度報道小膠質細胞對于神經突觸的 " 剪切 " 功能會在 AD 患者中被異常激活，從而導緻 AD 最大的症狀 " 失憶 "。也就是說，原本理應在 " 沉睡 " 的小膠質細胞，又 " 活躍 " 了，甚至開始亂 " 剪 " 神經突觸了。
LilrB3 蛋白，是一類主要在小膠質細胞中表達的蛋白。與著名的免疫 " 檢查點 " 蛋白 PD-1、SIRP α 一樣，LilrB3 也是一個免疫 " 檢查點 "（ 可理解為免疫功能 " 開關 "）蛋白；它的下遊是 ITIM 結構域，控制着小膠質細胞的激活——換句話說，小膠質細胞是否 " 醒着 "、能夠執行功能，正與 LilrB3 有關。同時，研究團隊也注意到，早在 2008 年，美國科學院院士 Carla Shatz 就在《科學》發文報道人源蛋白 LilrB3 的鼠源同源蛋白 PirB 在神經突觸 " 剪切 " 中扮演了重要的角色。所謂同源蛋白，意味着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，可能與人體神經突觸的剪切也有密切聯系……
然而，LilrB3 蛋白長期被歸類為 "orphan receptor"（孤兒受體），它的受體一直未知。LilrB 家族存在與 APOE4 發生結合的蛋白嗎？它會是 LilrB3 嗎？
04
從猜想到驗證：最強基因和神秘蛋白的關系
綜合大量的研究成果以及實驗探索，施一公研究團隊逐漸建立起了一個關系到阿爾茲海默症機理 " 另起山頭 " 的大膽猜測：LilrB 家族蛋白和 APOE 蛋白有相互作用，并且隻和 APOE4 結合而不與 APOE2 結合。如果這種猜想成立，那麼這種相互作用，有可能解釋了 AD 的生物化學原理：APOE4 與 LilrB 蛋白的結合，" 激活 " 小膠質細胞，導緻了神經突觸的剪切，進而緻使失憶并引發 AD。這樣的結合，是否正如遊戲中的精巧 " 機關 "，控制着記憶的消失？
這是一個原創性的猜想。下一步，便是驗證這樣的猜想是否 " 道破天機 "。
通過一系列生物化學實驗，研究團隊系統性地研究了 LilrB 人源家族的五個同源蛋白 LilrB1/2/3/4/5 和 APOE 三個亞型 APOE2/3/4 的相互作用。令人驚喜的是，最終，他們發現雖然 LilrB1/2/3/4/5 高度保守，但是 LilrB3 和 APOE 有特異性的結合。并且，正如預想的一樣，APOE4 和 LilrB3 有結合，APOE3 結合較弱，而 APOE2 幾乎完全不結合（圖 2）。
圖 2 LilrB3 和 APOE 特異性結合
進一步，他們也證實了小膠質細胞因為這種結合而 " 蘇醒 " 的事實，即 APOE4 在結合 LilrB3 之後，導緻小膠質細胞進入激活狀态（圖 3）。在敲除了 LilrB3 受體後，APOE4 并不能引發小膠質細胞的激活，證明了 APOE4-LilrB3 的結合對小膠質細胞的激活特異性。
圖 3 APOE4 在結合 LilrB3 之後導緻小膠質細胞進入激活狀态
同時，本研究還通過生化實驗證實了LilrB3 的 D2 和 D4 結構域，是 APOE4 的結合位點，并通過生化實驗結果提出了 APOE2 的 NTD 和 CTD 結合阻擋了結合位點這一模型，解釋了 APOE4 結合 LilrB3 而 APOE2 不結合的原因。此外，本研究還用冷凍電鏡解析了 APOE4 和 LilrB3 的結合結構（圖 4），揭示了結合細節，進一步證實了生化實驗的猜測——這也是世界上第一個被解析的 APOE 蛋白和受體結合的結構信息，可能為進一步的藥物設計提供重要信息。
圖 4 APOE4 — LilrB3 複合物整體結構
綜上所述，本研究報道了 APOE4 在結合小膠質細胞免疫檢查點蛋白 LilrB3 之後，可以導緻小膠質細胞進入激活狀态；該激活狀态最近也被其他文獻報道和阿茲海默症的發病存在關聯。由此，本文找到的遺忘的 " 機關 "，可能為 APOE4 導緻 AD 提供了一個全新的分子機理解釋，為人類征服 AD 帶來了一線曙光。
阿爾茲海默症領域對人類來說，一直是棘手的重大疾病；探尋其背後的機理，正猶如大海撈針，需要科研工作者天賦性的探索直覺，和沉住氣做基礎研究的毅力。本項研究始于 2014 年，從最初的猜想，到生化實驗驗證提出模型，再到解出結構并在細胞模型中得到實驗結果，完成對猜想的證明，曆經八年，終鑄一劍。本文的共同通訊作者、共同第一作者，西湖大學生命科學學院博士後周家耀經曆和見證了本項研究的全程，他介紹說除了科學假說，本項研究中最難的，是做重大的、原創的基礎科學問題的 " 堅持 " 和 " 勇氣 "。在别人做一些相對簡單但能發 " 大文章 " 的課題的時候，靜下心，沉住氣，" 堅持 " 做能改變世界的研究的初心。在博士 5 年級沒有任何成果無法畢業的情況下，仍不放棄繼續探索的 " 勇氣 "，相信直覺，把路 " 走通 "。
接下來，施一公研究團隊将延續本研究的成果，向阿爾茲海默症的藥物研發發起新的征程。同時，由于 APOE 基因、LilrB 蛋白也與癌症相關，他們也将把視線同步投向抗癌領域。
西湖大學生命科學學院施一公教授和西湖大學生命科學學院博士後周家耀為本文的共同通訊作者。西湖大學生命科學學院博士後周家耀、清華大學生命科學學院博士生王雨蒙為本文的共同第一作者。西湖大學生命科學學院博士後黃高興宇為結構解析提供了幫助，安徽醫科大學朱昱敏副教授為 RNA-seq 數據分析提供了幫助。清華大學生命科學學院博士後金辰、原科研助理楊敏，西湖大學生命科學學院博士生敬丹、汲凱，參與了本研究的部分工作。本研究獲得了科技部、國家自然科學基金委、西湖大學和北京生物結構前沿研究中心（清華）的相關經費支持。
文 | 西湖大學
