“老年痴呆基因”的人，年轻时大脑反而更好使？阿尔茨海默研究与治疗
APOE ε4 与成年生命历程中认知功能及痴呆发病率的关联：
Whitehall II 研究20年随访
Amin Gharbi-Meliani, Aline Dugravot, Séverine Sabia, Melina Regy, Aurore Fayosse, Alexis Schnitzler,Mika Kivimäki, Archana Singh-Manoux and Julien Dumurgier
背景： 约25%的普通人群携带载脂蛋白E（APOE ε4）的至少一个ε4等位基因，这是晚发型阿尔茨海默病最强的遗传风险因素。除了与晚发型痴呆的关联外，APOE ε4与成年生命历程中认知变化的关联仍不确定。本研究旨在检验载脂蛋白E（APOE）ε4 纯合性与认知功能之间的关联是否在中年和老年之间有所差异。
方法： 一项队列研究，纳入5561名参与者（平均年龄55.5（标准差=5.9）岁，27.1%为女性），具有APOE基因分型，并在平均（标准差）20.2（2.8）年的随访期间（Whitehall II研究）重复进行了推理、记忆、语义和音位流畅性的认知测试。我们使用联合模型来检验APOE基因型与45至85岁之间认知功能轨迹的关联，同时考虑失访、痴呆和死亡，并使用Fine-Gray模型来检验与痴呆的关联。
结果： 与非携带者相比，杂合子（患病率25%）和纯合子（患病率2%）APOE ε4携带者的痴呆风险增加，亚分布风险比（sub-distribution hazard ratios）分别为2.19（95% CI 1.73, 2.77）和5.97（95% CI 3.85, 9.28）。使用45-85岁的数据，以非ε4携带者为参照，ε4纯合子从65岁开始整体认知评分较差；ε4杂合子在45至55岁之间评分较好，之后无差异，直到75岁以后认知评分较差。在个体认知测试的分析中，年轻ε4杂合子较好的认知表现主要归因于执行功能。
结论： 杂合子和纯合子ε4携带者在老年时认知功能均较差且痴呆风险更高。我们的研究结果为APOE ε4杂合子在成年生命历程中复杂的拮抗多效性效应提供了一定支持，其特征是在中年具有认知优势。
关键词： 载脂蛋白E，认知衰老，队列研究，痴呆，阿尔茨海默病
载脂蛋白E（APOE）基因的ε4等位基因是晚发型阿尔茨海默病（AD）最强的遗传风险因素。约25%的高加索人群携带至少一个ε4等位基因，与最常见的基因型ε3纯合子相比，杂合子的AD风险增加3倍，纯合子增加近15倍。APOE ε2较少见，似乎对AD具有保护作用。APOE ε4与AD之间关系的机制被认为是复杂的，涉及例如β-淀粉样蛋白（Aβ）肽清除、神经元死亡和tau蛋白磷酸化等。
除了AD，APOE ε4在其他原因的痴呆（dementia）中也起作用，包括血管性痴呆和路易体病（Lewy Body disease）。尽管病例对照和纵向研究已经检验了APOE与痴呆的关联，但其与成年生命历程中认知衰退的关联仍存在争议。一些研究表明APOE ε4纯合子（而非杂合子）的认知衰退加速。此外，APOE ε4与认知的关联被认为受年龄修饰；一些但非所有研究报告了ε4携带者在较年轻年龄时认知表现更好。拮抗多效性假说（antagonistic pleiotropy hypothesis），即一个基因被认为在生命不同阶段对健康具有不同影响，是APOE ε4与生命历程中认知表现差异与年龄变化关联的一种可能解释。然而，大部分关于APOE的研究基于65岁以上的成年人，随访不到10年，使得难以确定APOE如何塑造生命历程中的认知表现。
为解决其中一些局限性，我们检验了APOE ε4纯合子和杂合子与从中年至老年的认知衰退及痴呆发病的关系。痴呆分析考虑了死亡的竞争风险，认知衰退分析则使用联合模型考虑了死亡、痴呆和失访。
Whitehall II研究（The Whitehall II Study）是一项正在进行中的队列研究，对象为最初受雇于英国公务员系统的人员，完整细节已在先前报道。1985年至1988年间共招募了10,308名年龄35-55岁（67%为男性）的参与者，并每4至5年接受一次临床检查。本研究的基线为1997-1999年，当时认知测试组合被添加到方案中，并在2002-2004年、2007-2009年、2012-2013年和2015-2017年重复进行。
认知测试组合在1997-1999年至2015-2017年间共进行了5次，包括4项测试。记忆： 向参与者呈现一个20个单词的列表（单或双音节词），间隔两秒，有2分钟时间写下尽可能多的单词，不论顺序。推理： 参与者有10分钟完成AH4-I（Alice Heim 4-I），这是一系列65个难度递增的言语和数学推理题。言语流畅性： 通过“S”词测试评估音位流畅性，通过“动物”词测试评估语义流畅性。每项测试允许1分钟。为便于测试间比较，我们将所有原始测试分数标准化为z分数（均值=0，标准差[SD]=1）。将这些z分数相加并重新标准化，得到整体认知评分，该方法可最小化测量误差。
痴呆诊断来自截至2019年3月的三个综合电子健康记录：NHS Digital的医院流行病学统计（HES）和精神健康服务数据（MHDS），其中包括在NHS住院、门诊和社区护理（包括记忆门诊）中日常临床接触中记录的临床诊断，以及死亡登记。使用以下ICD-10代码诊断全因痴呆：F00x-F03x，F05.1，和G30x-G31.0。
APOE基因分型
DNA从1997-1999年临床检查时抽取的全血样本中提取。使用两种TaqMan检测（Rs429358和Rs7412，Assay-On-Demand，Applied Biosystems）并在7900HT分析仪（Applied Biosystems）上运行，基因型由Sequence Detection Software 2.0版（Applied Biosystems）指示。对511名参与者重复了基因分型，错误率低于0.15%。
社会人口学变量包括基线年龄（1997-1999年检查）、性别、婚姻状况（已婚/同居vs.其他）、使用就业等级（三类：高、中、低，代表工作收入和地位）评估的社会经济地位，以及教育程度（三类：初等中学、高等中学、大学/高等大学学位）。
当前分析基于高加索人种，具有APOE基因型数据和至少一次认知功能测量值。基线特征以APOE基因型和随访期间是否发生痴呆或死亡为分层展示。分类变量计算比例，连续变量计算均值和标准差。组间比较使用χ²检验或方差分析（视情况而定）。
APOE按ε4等位基因数量（0、1或2）以及包含ε2、ε3和ε4等位基因的详细类别进行建模。我们首先使用Fine-Gray模型（针对亚分布风险比SHR）检验APOE基因型与痴呆发病的关联，以考虑死亡的竞争风险。年龄作为时间尺度，参与者在痴呆发病、死亡或随访结束（2019年3月31日）时删失，以先发生者为准。初始模型调整年龄（作为时间尺度）和出生队列（使用5年类别），随后调整性别、教育程度、婚姻状况和职业。
我们使用线性混合模型（以年龄为时间尺度：年龄、年龄²和年龄³来建模非线性变化）分析APOE基因型与认知衰退的关系。这些模型调整了性别及其与时间的交互作用和出生队列，截距和斜率均拟合为随机效应，使用非结构化协方差矩阵。我们使用Stata中的stjm命令采用联合建模方法，同时建模认知衰退（初始线性混合模型）和退出随访的时间（设置为失访、痴呆或死亡的最早日期，使用灵活参数模型）。该方法通过包含共享随机效应来链接子模型，允许纵向过程与退出、痴呆或死亡时间之间存在依赖性。然后我们估计边际预测，以确定APOE ε4携带者与非携带者在45至85岁不同年龄的认知功能差异。分析针对整体认知评分进行，并对4项个体认知测试重复进行。在敏感性分析中，我们排除了所有痴呆病例后重新运行联合模型，以检验APOE基因型与认知衰退关联的稳健性。
双尾p<0.05被认为具有统计学显著性。分析使用Stata 15（StataCorp LP，College Station，TX）进行。
1997-1999年临床检查共纳入7870名参与者。其中，1784人因缺少APOE基因型数据被排除，45人因缺少认知数据被排除。另有480名非高加索参与者被排除；研究流程图见图1。最终纳入5561名参与者进行分析，平均（标准差）随访20.0（2.8）年，对应111，132人年的随访。
表1总结了参与者的基线特征，整体及按APOE基因型分层。随访开始时他们的平均（标准差）年龄为55.5（5.9）岁，27%为女性。研究人群中ε2、ε3和ε4等位基因的频率分别为8%、77%和15%。59%的研究人群为APOE ε3/ε3纯合子，27%携带至少一个ε4等位基因（杂合子25%，纯合子2%），13%为ε2/ε2（0.6%）或ε2/ε3（12.4%）。根据APOE基因型，未观察到社会人口学特征的差异。与ε3/ε3参与者相比（附加文件1：表S1），ε2/ε2组在记忆（p=0.035）、音位流畅性（p=0.049）和语义流畅性（p=0.049）上评分更高。ε3/ε4组在推理（p=0.032）和音位流畅性（p=0.028）上也高于ε3/ε3纯合子。基线时APOE ε4/ε4与ε3/ε3纯合子之间的认知评分无差异。
APOE基因型与痴呆的关联
表2显示了基线样本特征按随访期间痴呆和生命状态分层。发生痴呆的310名参与者年龄更大、更多为女性、教育程度更低、认知表现更差，且更可能携带至少一个APOE ε4等位基因（46% vs 27%，p<0.001）。778名参与者在随访期间死亡。他们年龄更大、更可能单身、教育程度更低且认知测试评分更差。
APOE基因型与痴呆发病的关联（平均随访20.0（2.8）年）见表3。与非ε4携带者相比，ε4等位基因的存在与杂合子（SHR 2.19；95%置信区间1.73至2.77）和纯合子（5.97；3.85至9.28）的痴呆风险增加相关，调整年龄和出生队列后。进一步调整性别、教育程度、婚姻状况和职业未改变这些关联。
APOE基因型与认知功能轨迹
第一波认知数据收集后有0.4%的参与者失访，第二波后9.1%，第三波后8.7%，第四波后11.8%；69.9%的参与者提供了所有波次的数据。随访检查次数较少的参与者更可能是年龄较大、女性、教育程度较低，并且基线认知评分较低（附加文件2：表S2）。
图2显示了按APOE ε4等位基因数量分层的45至85岁整体认知评分轨迹。与非ε4携带者相比，ε4杂合子在45至55岁之间整体认知评分略高，但在75岁以后显著更差。ε4纯合子的整体认知评分从65岁开始持续低于非携带者。与ε3/ε3相比，ε2/ε3和ε2/ε2携带者的认知轨迹无显著差异，除了在最高年龄时可能略有优势（附加文件3：表S3）。敏感性分析排除208名发生痴呆的参与者后结果相似。
进一步分析以个体认知测试在45至85岁之间的表现为结局；结果见表4和图3。ε4杂合子在较年轻年龄时推理和音位流畅性优于非ε4携带者，而在较年长年龄时记忆、推理和语义流畅性较差。对于所有认知测试，ε4纯合子在较年长年龄均表现出较低的认知表现。
这项基于5561名男性和女性的纵向研究提出了两项关键发现。其一，我们证实，APOE基因的ε4等位基因与成年期全过程中认知能力的加速衰退相关，不仅纯合子携带者如此，杂合子携带者亦然，且这一关联与痴呆症是否发生无关。与非ε4携带者相比，ε4携带者的认知表现更差，在纯合子中从65岁起即明显可见，在杂合子中则从75岁起明显可见。其二，我们发现APOE ε4在杂合子中呈现一种看似矛盾的效果：在55岁之前，杂合子携带者在整体认知评分上的表现优于非ε4携带者。更精细的分析表明，年轻ε4杂合子认知表现的优越性主要体现在反映执行功能（推理、音位流畅性）的测试中。综合这些结果，支持了拮抗多效性假说，因为APOE ε4杂合子在较年轻时认知表现更佳，而无论是杂合子还是纯合子APOE ε4携带者在老年时罹患痴呆的风险也更高。认知表现关联的效应强度与既往未纳入痴呆随访的研究相当。
此前很少有研究探讨APOE基因型与整个成年期认知衰退之间的关联，因为大多数研究基于老年人，且对其认知结果的随访时间不足10年。一些研究未区分ε4杂合子和纯合子，而进行区分的研究并未发现ε4杂合子携带者认知衰退更快的证据。在亚利桑那APOE队列中（样本量815人，基线平均年龄60.1岁，平均随访5年），ε4纯合子比非ε4携带者的认知衰退更明显，但ε4杂合子未见显著差异。另一项针对621名参与者（平均年龄58岁，随访6年）的研究同样仅观察到ε4纯合子衰退更显著。英国MRC国民健康与发展调查队列研究也得出类似结果。这些研究的随访时间有限，可能无法检测到杂合子APOE ε4与认知功能之间随年龄变化的关联。而这类信息十分重要，因为ε4纯合子在人群中占比虽小，但ε4杂合子的携带率超过20%。
APOE ε4与认知衰退关联的潜在机制仍不清楚；利用AD生物标志物的进一步研究或可揭示其机理。多项研究表明，在非痴呆人群中，APOE ε4携带者的β-淀粉样蛋白PET阳性发生率高于非携带者。近期一项基于淀粉样蛋白PET的研究提示，APOE ε4携带者新皮质Aβ-淀粉样蛋白达到异常水平的年龄约为63岁，而非携带者约为78岁，两者相差15年。Tau蛋白的积聚也可能发挥作用，有研究显示，ε4携带者的内嗅皮层和海马中tau PET摄取增加，且与Aβ负荷无关。即使在Aβ阴性的ε4携带者中，较差的认知表现也与tau PET积聚相关，表明APOE ε4等位基因可能增加在阿尔茨海默病谱系中对进行性tau蛋白积累的易感性。
据我们所知，本研究是首个揭示ε4等位基因杂合性可能随年龄对认知产生差异性影响的研究。长期的随访使我们得以发现，与非ε4携带者相比，ε4杂合子在75岁之后认知评分较低，但在55岁之前表现更佳。以往少数横断面或短期纵向研究曾观察到年轻ε4携带者认知表现更好的现象。一项小鼠实验研究发现，ε4等位基因在年轻动物中起初与较好的空间记忆相关，而在年长后则转为有害效应。有趣的是，我们发现ε4等位基因带来的早期认知获益主要体现在执行功能（推理、音位流畅性）方面，而涉及颞叶及颞叶内侧区域的记忆或语义任务则未见差异。这与多项代谢性PET影像研究的结果一致，这些研究发现普通人群中APOE ε4等位基因与大脑后部区域（顶叶、后扣带回）代谢降低相关，同时与前额叶前部区域代谢增高有关。近期一项针对2至40岁年龄范围的荟萃分析未发现APOE ε4携带者与非携带者在认知表现上的差异，作者据此认为该结果不支持拮抗多效性假说。由于该荟萃分析将APOE ε4纯合子和杂合子合并分析，其结果与我们的研究不具直接可比性。此外，我们观察到的效应可能并非先天固有，而是后天获得的，可能在40岁之后出现，作为对神经退行性疾病早期生化过程（如阿尔茨海默病病理中大脑后部β-淀粉样蛋白沉积的开始）的反应。
目前尚不清楚为何APOE ε4在进化过程中始终在人群中保持高频率，尽管其对痴呆和心血管健康具有不利影响。我们的结果表明，APOE ε4在55岁之前可能赋予认知优势，尤其是在推理和精神运动速度方面，这可能有助于该等位基因在前现代人类漫长历史中得以保留，彼时平均预期寿命低于50岁。另一项近期研究还发现，APOE ε4携带者可能尤其受益于体育活动对大脑连接的保护作用。
本研究优势包括大样本量和长随访时间，以及使用联合模型处理选择偏倚。局限性包括无法评估45岁之前的认知，无法完全排除临床前痴呆的影响，缺乏AD生物标志物。未来基于血浆生物标志物的研究有助于阐明机制。
总之，我们的结果为APOE ε4杂合子在成年生命历程中的复杂拮抗多效性效应提供了支持，并证实杂合子和纯合子ε4携带者在老年时认知较差。需要在类似生命历程研究的不同人群中进一步验证我们的发现。
[图表注释汇总]
图1. 研究流程图。 展示了从Whitehall II研究原始样本中筛选分析样本的步骤。（从10，308名原始参与者中，排除无APOE基因型、无认知数据、非高加索后，最终纳入5561人。）
