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，阿爾茲海默癥多發于老齡人群；隨著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癥患者，排名世界第一。
“我感覺我的葉子要掉光了，風雨裹挾著我的樹葉，我已經搞不清楚所發生的一切”——電影《困在時間里的父親》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，無助地道出了這類疾病的苦痛。數據顯示，從確診到離世，阿爾茲海默癥患者平均擁有4-8年的壽命，在此期間會經歷失憶、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，阿爾茲海默癥的原理仍尚未明確，我們對它的發生機制知之甚少。學界存在著幾種假說，Aβ假說是其中較為主流的說法之一，即β-淀粉樣蛋白（Aβ）過度表達聚集成了淀粉樣斑塊，這些在大腦里“意外”聚集的蛋白質，誘發了阿爾茲海默癥。基于此假說的藥物研發，盡管產生了一些富有爭議的結果，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，但受制于尚未明確的AD致病機理，也難以研發出真正有效果的藥物；2017年，輝瑞在經歷了一系列失敗后退出了AD制藥嘗試。
“Genes never lie”，基因從不撒謊。亨廷頓疾病、唐氏綜合癥、乳腺癌……這些疾病曾經困擾人類，從致病基因出發找到相應的生化通路，進而闡釋致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，伴隨著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）確定了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號染色體上。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，我們人體肝臟所產生的膽固醇，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，就會產生不同類型的APOE蛋白。
決定這一關鍵性氨基酸差異的，便是“生產”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基因主要與體內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癥的不同風險等級。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號染色體上亦然。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患病幾率將增加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。這意味著，APOE4的致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癥的最大風險基因。但事實上，APOE4和APOE2基因所相差的僅僅是兩個堿基，它們的產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里的效應？施一公研究團隊推測，這背后或許正潛藏著破解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？
與此同時，施一公團隊也密切關注著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。記憶是怎么形成的，眾說紛紜，但它一直都是神經生物學領域的圣杯。由此，施一公研究團隊的目光逐漸聚焦到了另一號關鍵角色上：LilrB3蛋白。
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？
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癥機理“另起山頭”的大膽猜測：LilrB家族蛋白和APOE蛋白有相互作用，并且只和APOE4結合而不與APOE2結合。如果這種猜想成立，那么這種相互作用，有可能解釋了AD的生物化學原理：APOE4與LilrB蛋白的結合，“激活”小膠質細胞，導致了神經突觸的剪切，進而致使失憶并引發AD。這樣的結合，是否正如游戲中的精巧“機關”，控制著記憶的消失？
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之后，導致小膠質細胞進入激活狀態（圖3）。在敲除了LilrB3受體后，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之后導致小膠質細胞進入激活狀態
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復合物整體結構
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之后，可以導致小膠質細胞進入激活狀態；該激活狀態最近也被其他文獻報道和阿茲海默癥的發病存在關聯。由此，本文找到的遺忘的“機關”，可能為APOE4導致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。
阿爾茲海默癥領域對人類來說，一直是棘手的重大疾病；探尋其背后的機理，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，歷經八年，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后周家耀經歷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”。在別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，施一公研究團隊將延續本研究的成果，向阿爾茲海默癥的藥物研發發起新的征程。同時，由于APOE基因、LilrB蛋白也與癌癥相關，他們也將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后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后周家耀、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后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后金辰、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。
來源/施一公實驗室
