Austausch von APOE4 durch APOE2 schützt vor Alzheimer-Pathologie

Beim Menschen kommt Apolipoprotein E, das am Fettstoffwechsel und in der Alzheimer-Pathologie eine Rolle spielt, in drei verschiedenen Varianten (Isoformen) vor – nämlich ApoE2, ApoE3 und ApoE4 . Diese werden jeweils von einer Variante (Allel)  des APOE-Gens codiert. Das APOE4-Allel ist mit dem höchsten genetischen Risiko für eine Alzheimer-Erkrankung verbunden. Umgekehrt wirkt ApoE2 stark neuroprotektiv und reduziert das Alzheimer-Risiko um bis zu 40 Prozent.

Therapeutisch lässt sich dieser Vorteil, der durch ApoE2 vermittelt wird, bisher nicht nutzen. Aber was würde ein Alleltausch in erwachsenen Organismen bewirken? Dieser Frage gingen Forschende um Dr. Lesley Golden von der University of Kentucky in Lexington, USA, nach. Sie entwickelten ein Konzept für einen solchen Alleltausch in Mäusen und konnten zeigen, welche Konsequenzen er hat. Die Ergebnisse ihrer Forschungsarbeit erschienen jetzt im Fachblatt »Nature Neuroscience«.

Die Forschenden etablierten ein transgenes Mausmodell, bei dem die Tiere genetisch so verändert wurden, dass ihr Genom ein humanes APOE4-Gen gefolgt vom Exon 4 des menschlichen APOE2-Gens enthielt. Dabei war das Exon 4 des humanen APOE4-Gens von sogenannten loxP-Sequenzen flankiert. Diese dienen als Erkennungssequenzen für das Enzym Cre-Rekombinase. Werden diese Mäuse mit einem zweiten Mäusestamm gekreuzt, die die Cre-Rekombinase, die ebenfalls durch genetische Manipulation in das Mausgenom eingebracht wurde, exprimieren, wird in den Nachkommen dieser Kreuzung das Exon 4 des APOE4-Gens exakt ausgeschnitten und die Zellen produzieren dann nur noch das schützende APOE2-Allel. Denn nur durch zwei Punktmutationen im 4. Exon, dem letzten Exon des Gens, unterscheiden sich die drei APOE-Allele.

Die Expression des Enzyms Cre-Rekombinase ist induzierbar, das heißt nur in Gegenwart von Tamoxifen wird das Enzym in dem Mausmodell synthetisiert. Dabei konnten die Forschenden durch Wahl des Promotors steuern, ob der Austausch von APOE4 durch APOE2 in allen Zellen der Maus oder nur in den Asterozyten erfolgt, den spezialisierten Zellen des Nervensystems, die zu den Gliazellen gehören.

Zunächst testete das Team, wie es sich auswirkte, wenn durch Tamoxifen-Gabe die Cre-Rekombinase exprimiert und der Wechsel von E4 zu E2 in allen Körperzellen ausgelöst wurde. Die Mäuse stellten daraufhin ihr metabolisches und lipidomisches Profil so um, dass es dem von APOE2-Mäusen entsprach. Bemerkenswert waren Veränderungen in mehreren Klassen von Gehirn-Glycerophospholipiden, insbesondere von Phosphatidylcholin- und Ceramid-Spezies.

Die Forschenden konnten zeigen, dass der Austausch von APOE4 durch APOE2 die Genexpression in mehreren Hirnzelltypen, vor allem Astrozyten, Oligodendrozyten, Mikroglia und Endothelzellen beeinflusste. Diese Zellen zeigten Überlappungen in den differenziell exprimierten Genen APOE2- versus APOE4- Mäusen. Dabei waren insbesondere metabolische und immunologische Signalwege betroffen.

Im Alzheimer-Mausmodell verbesserte der Alleltausch in den Astrozyten die kognitiven Leistungen durch besseres assoziatives Lernen. Zudem sank die Amyloid-Last signifikant und die mit der Alzheimer-Pathologie assoziierte Astro- und Mikrogliose verbesserte sich, indem die Konzentrationen an saurem Gliafaserprotein und das F-Aktin-bindende Protein IBA1 abnahmen. Ebenfalls nahm der Anteil an aktivierten Mikroglia sowie die Konzentration von Plaque-assoziiertem ApoE ab.

Bemerkenswert war auch, dass in Astrozyten produziertes ApoE2 ausschließlich nicht-zellautonom wirkt. Auch angrenzende Zelltypen wie Mikroglia und Oligodendrozyten veränderten nach dem Austausch die Aktivität bestimmter Gene. Dies legt nahe, dass der Alleltausch in Astrozyten genügen könnte, um die Mikroenvironment-vermittelte Amyloid-Plaque-Akkumulation, die Aktivierung von Gliazellen und die damit einhergehenden kognitiven Defizite zumindest im Mausmodell zu reduzieren. Erklären könnte man diesen Effekt über das modulierende Potenzial des Lipidstoffwechsel, der Immunantworten und der neuronalen Interaktionen.

Die Veränderungen in der Genexpression betrafen dabei die für die Alzheimer-Pathologie wichtigen Signalwege. Dazu zählen ein gestörter Energiestoffwechsel, Störungen in Entzündungs- und Matrix-Netzwerken sowie die Beeinträchtigung zellulärer Transportmechanismen und der Zytoskelett-Integrität.

Die Studie zeigt an einem speziellen Mäusemodell eine prinzipielle Möglichkeit auf, der Alzheimer-assoziierten Pathologie nach Symptombeginn durch einen gezielten, zeitlichen und gegebenenfalls auch zelltypspezifischen APOE-Alleltausch zu begegnen. Insbesondere die astrozytäre APOE2-Expression könnte sich als ein vielversprechendes Ziel für künftige Geneditierungsstrategien erweisen. Allerdings wird dies keine zeitnahe Option sein.