施一公課題組在阿爾茨海默病領(lǐng)域又取得重要進(jìn)展。
近日，國際學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》在線發(fā)表了清華大學(xué)生命學(xué)院施一公課題組研究論文。
這篇論文在國際上報道了γ-分泌酶（淀粉樣蛋白前體蛋白的重要切割酶）結(jié)合三種小分子抑制劑（GSI）和一種調(diào)節(jié)劑（GSM）的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，闡明了γ-分泌酶識別不同種類抑制劑及調(diào)節(jié)劑的分子機(jī)理[1]。
這項(xiàng)研究成果與該團(tuán)隊在2015年解析的γ-分泌酶的結(jié)構(gòu)[2]，以及2019年解析的γ-分泌酶與重要底物Notch[3]和淀粉樣蛋白前體蛋白（APP）[4]的高分辨率三維結(jié)構(gòu)一起，完整展現(xiàn)了γ-分泌酶結(jié)合底物與藥物的全過程。
總的來說，這項(xiàng)研究成果讓我們能以優(yōu)秀的精度了解γ-分泌酶活性的調(diào)節(jié)機(jī)制，對于治療阿爾茨海默病的下一代γ-分泌酶抑制劑及調(diào)節(jié)劑的設(shè)計，有巨大的推動作用。
楊光輝、周瑞和郭雪飛是論文的共同作者，施一公是通訊作者。
阿爾茨海默?。ˋD），也就是我們嘴里常說的老年癡呆（這個說法不是很嚴(yán)謹(jǐn)），是人類健康的大敵，目前全球患者數(shù)千萬。
遺憾的是，目前還沒有任何特效藥物獲批上市。也正因如此，《自然》雜志也把靶向淀粉樣蛋白的抗體aducanumab的獲批進(jìn)展，評選為“2021年十大值得關(guān)注的科學(xué)事件”[5]。
我們都知道，阿爾茨海默病患者的病理標(biāo)志物之一是腦組織中出現(xiàn)的淀粉樣斑塊沉積。這些病理性斑塊是由γ-分泌酶從APP上切出來的β淀粉樣蛋白（主要是Aβ42）逐漸聚集而成。
因此，從理論上講，只要能搞定γ-分泌酶，就能減少β淀粉樣蛋白的形成，進(jìn)而達(dá)到延緩阿爾茨海默病進(jìn)展的目的[6]。
實(shí)際上，目前已經(jīng)有很多γ-分泌酶抑制劑和調(diào)節(jié)劑正處于臨床研究階段。
Semagacestat是一個進(jìn)入III期臨床評估的γ-分泌酶抑制劑，雖然該藥物的早期研究結(jié)果令人鼓舞[7]，但是III期研究不僅沒有延緩疾病發(fā)展[8]，反而導(dǎo)致患者認(rèn)知能力和日?；顒幽芰p弱，甚至提高了患者患皮膚癌的風(fēng)險。
究其背后原因，是因?yàn)棣?分泌酶不僅是APP的切割酶，還是另一個知名蛋白Notch的切割酶[9，10]。
Notch那可以一個神通廣大的蛋白，它控制的信號通路影響著細(xì)胞的分化、凋亡和增殖，與癌癥的發(fā)生和進(jìn)展那也是密切相關(guān)。
Notch信號通路的作用范圍
為了解決這個問題，研究人員已經(jīng)開發(fā)出了特異性抑制γ-分泌酶切割A(yù)PP的抑制劑，Avagacestat（BMS-708163）就是其中具有代表性的一個[11]。盡管Avagacestat優(yōu)先抑制APP的切割，但是高劑量的Avagacestat仍然會抑制γ-分泌酶切割Notch，并導(dǎo)致毒副作用[12，13]。
在施一公課題組成員看來，想要開發(fā)出特異性更好的γ-分泌酶抑制劑，搞清楚γ-分泌酶與小分子藥物的作用機(jī)制至關(guān)重要。然而，到目前為止，還沒有任何γ-分泌酶與小分子抑制劑等相互作用的原子模型。
因此，從結(jié)構(gòu)上了解γ-分泌酶抑制劑的分子機(jī)制就成了本研究的主要目的。
為了盡可能了解γ-分泌酶抑制劑與γ-分泌酶相互作用的共同之處和差異，施一公教授團(tuán)隊不僅研究了Semagacestat和Avagacestat這兩個非過渡狀態(tài)類似物，還研究了另一種γ-分泌酶抑制劑——直接結(jié)合γ-分泌酶PS1活性位點(diǎn)的競爭性過渡狀態(tài)類似物L(fēng)-685,458[14]。
此外，γ-分泌酶調(diào)節(jié)劑E2012[14]也被納入本研究。與γ-分泌酶抑制劑作用機(jī)制不同，γ-分泌酶調(diào)節(jié)劑會結(jié)合到遠(yuǎn)離γ-分泌酶活性位點(diǎn)的一個獨(dú)特的位點(diǎn)上，促進(jìn)γ-分泌酶對Aβ42的進(jìn)一步裂解，從而減少易聚集β淀粉樣蛋白的數(shù)量[16]。而且，在γ-分泌酶抑制劑L-685,458的存在下，E2012的效果還會增強(qiáng)[16]。
γ-分泌酶的結(jié)構(gòu)
接下來咱們就一起一個一個地看看上面提到的4種化合物與γ-分泌酶結(jié)合之后的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。
第一個是會同時抑制γ-分泌酶切割A(yù)PP和Notch的Semagacestat，施一公課題組得到了3.0?分辨率結(jié)構(gòu)。
從結(jié)構(gòu)上看，Semagacestat成功占據(jù)了γ-分泌酶上原本該結(jié)合APP和Notch蛋白β鏈的位置。要知道，β鏈可是引導(dǎo)APP和Notch等底物被γ-分泌酶切割的關(guān)鍵所在[3，4]。
也就是說Semagacestat搶占了APP和Notch與γ-分泌酶結(jié)合的位點(diǎn)，成功地抑制了γ-分泌酶對APP和Notch的切割。這在一定程度上直觀地解釋了Semagacestat導(dǎo)致嚴(yán)重副作用的分子機(jī)制。
Semagacestat與γ-分泌酶的結(jié)合圖
看完Semagacestat與γ-分泌酶作用機(jī)制之后，你心里可能在想：Avagacestat既然是選擇性抑制γ-分泌酶切割A(yù)PP，那結(jié)合位點(diǎn)與Semagacestat定然不同。
如果你還知道Avagacestat和Semagacestat的化學(xué)結(jié)構(gòu)差異巨大，那你應(yīng)該會更加篤信上述猜想。
實(shí)際上，施一公課題組的成員一開始也是這么想的。
但是當(dāng)他們拿到Avagacestat與γ-分泌酶3.1 ?的結(jié)構(gòu)之后，被他們看到的事實(shí)驚呆了。Avagacestat與Semagacestat在γ-分泌酶上的結(jié)合位點(diǎn)完全相同。
Avagacestat與γ-分泌酶的結(jié)合
如此看來，Avagacestat抑制γ-分泌酶的機(jī)制與Semagacestat其實(shí)是一樣的。那問題來了：Avagacestat為啥表現(xiàn)出了選擇性呢？
深入研究才發(fā)現(xiàn)，原來Avagacestat與Semagacestat雖然在γ-分泌酶上占據(jù)了同樣的位點(diǎn)，但是二者的結(jié)合模式還是存在細(xì)微的差異。
具體來說，Avagacestat主要與γ-分泌酶PS1周圍疏水殘基相互作用，與Gly382的酰胺基團(tuán)只有一個氫鍵；相比之下，Semagacestat通過四個氫鍵固定在結(jié)合口袋上。除此之外，還有一些細(xì)微的差異。
換句話說，與Semagacestat相比，Avagacestat與γ-分泌酶的PS1結(jié)合后，構(gòu)象更“松散”。或許就是這種差異，導(dǎo)致了二者之間的選擇性差異。
隨后解析L-685,458與γ-分泌酶3.1 ?的結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)：L685,458的一部分也在γ-分泌酶上占據(jù)了與前面兩種抑制劑相同的位置。當(dāng)然，L-685,458其余部分與γ-分泌酶之間的相互作用，與前面兩種化合物存在差異。
不過，總的來看，三種γ-分泌酶抑制劑都占據(jù)了γ-分泌酶PS1中原本屬于APP和Notch蛋白β鏈的位置。只不過相互作用的具體殘基有所差異。
三個化合物結(jié)合詳情的比較
咱們再來看看E2012。
如前面所介紹，E2012前面三種化合物的作用機(jī)制不相同。但是E2012可以和L685,458同時結(jié)合γ-分泌酶，并達(dá)到更高的抑制效果[16]。那E2012和L685,458都結(jié)合到γ-分泌酶上，會是什么樣的模樣呢？
分辨率高達(dá)2.6 ?的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)顯示：E2012和L685,458結(jié)合在γ-分泌酶上兩個不同的位置，E2012插入到了PS1與γ-分泌酶的NCT結(jié)構(gòu)域形成結(jié)合空腔中。
這也是學(xué)界明確了調(diào)節(jié)劑結(jié)合γ-分泌酶的位點(diǎn)。
進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，E2012結(jié)合到γ-分泌酶之后，可以和PS1的loop1形成氫鍵，而loop1與γ-分泌酶的底物招募密切相關(guān)[3，4]。
E2012（紅）和L458結(jié)合γ-分泌酶的位點(diǎn)比較
至于L685,458為何能增強(qiáng)E2012的效果，研究人員也做了探索，他們“對比底物結(jié)合的構(gòu)象，E2012空間上對底物跨膜螺旋的一側(cè)具有一定的位阻效應(yīng)，但不完全重合，這與抑制劑是有明顯區(qū)別的”[17]。
因此，他們認(rèn)為“這種位阻效應(yīng)，客觀上構(gòu)成了底物跨膜螺旋兩個方向的運(yùn)動趨勢，為解釋E2012促進(jìn)Aβ42切割成Aβ38的別構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)制提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)”[17]。
你可能看出來了，上面兩段說的內(nèi)容其實(shí)我也沒看懂，所以就引用了清華大學(xué)官方稿件的說法。如果你想知道詳細(xì)的信息，可以點(diǎn)擊文末“閱讀原文”查閱論文原文。
總的來說，施一公課題組這項(xiàng)研究成果讓我們看清楚了γ-分泌酶抑制劑和調(diào)節(jié)劑的作用機(jī)制，對于開發(fā)更好的治療AD藥物，有極大的促進(jìn)作用。
無論如何，期待科學(xué)家在AD基礎(chǔ)研究和治療領(lǐng)域取得更多的突破。
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