阿爾茨海默癥（AD，俗稱老年癡呆癥），一種常見的神經(jīng)退行性疾病，會(huì)導(dǎo)致進(jìn)行性腦萎縮和記憶喪失，從而造成癡呆、殘疾，甚至死亡。這一世界性難題的疾病目前發(fā)病機(jī)制仍不明確， 但在患者腦中看得到的現(xiàn)象是，由一些錯(cuò)誤折疊的蛋白組成的淀粉樣蛋白斑塊不斷產(chǎn)生和聚集。

西湖大學(xué)校長、清華大學(xué)生命學(xué)院、結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心施一公教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)正在將其始于十幾年前的阿爾茨海默癥研究進(jìn)一步推進(jìn)。北京時(shí)間1月11日凌晨，施一公研究團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》（Science）發(fā)表最新研究成果：《人源γ-分泌酶底物淀粉樣前體蛋白的識(shí)別》（Recognition of the amyloid precursor protein by human γ-secretase）。論文報(bào)道了人源γ-分泌酶分別結(jié)合底物淀粉樣前體蛋白（APP）的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，分辨率高達(dá)2.6埃(1埃=0.1納米)。

清除淀粉樣蛋白是治療阿爾茨海默癥的主流策略，而γ-分泌酶被認(rèn)為是導(dǎo)致阿爾茲海默氏病關(guān)鍵因素之一。其是細(xì)胞膜上的一個(gè)蛋白酶體，或者更通俗地形容為“垃圾粉碎機(jī)”。它的主要作用是降解細(xì)胞膜上的一些廢物蛋白，把它降解成小的片段，讓人體再吸收、再利用。施一公等人認(rèn)為，淀粉樣斑塊是由γ-分泌酶異常切割淀粉樣前體蛋白APP而產(chǎn)生過量易聚集的Aβ42肽所致。

數(shù)據(jù)顯示，在65歲以上人群中，阿爾茨海默癥發(fā)病率高達(dá)10%；在85歲以上人群中，發(fā)病率達(dá)30-50%；中國目前阿爾茨海默癥人群高達(dá)500萬，約占世界患者總數(shù)的四分之一。

抑制γ-分泌酶策略為何失??？

對于阿爾茨海默癥，比較主流的是“β淀粉樣蛋白假說”，該假說認(rèn)為淀粉樣蛋白寡聚物直接導(dǎo)致阿爾茨海默癥的發(fā)展。如果這一假說成立，抑制γ-分泌酶會(huì)是一種具有潛力的治療策略。

患者腦部聚集的淀粉樣蛋白斑塊中最主要的成分是β淀粉蛋白短肽（Aβs），β淀粉蛋白短肽則是由β淀粉樣前體蛋白（amyloid precursor protein，APP）水解而來。I型跨膜蛋白APP在跨膜分泌過程中一般有兩條水解途徑，經(jīng)α-分泌酶或β- 分泌酶水解形成APP-C83（含83 個(gè)氨基酸殘基的片段）或APP-99（含99 個(gè)氨基酸殘基的片段）。

其中，經(jīng)α-分泌酶水解途徑，為非淀粉樣蛋白形成途徑，而經(jīng)β- 分泌酶水解途徑（隨后有γ-分泌酶參與）則會(huì)最終形成淀粉樣蛋白。此前的研究認(rèn)為，Aβ42和Aβ40最易形成和聚集淀粉樣蛋白。

雖然“β淀粉樣蛋白假說”至今沒有得到證實(shí)，但各大制藥巨頭早已紛紛基于此假說開發(fā)新藥。不幸的是，截至目前，抑制γ-分泌酶策略在臨床上尚未看到有益于阿爾茨海默癥的任何療效，相反，產(chǎn)生了嚴(yán)重的副作用。

美國輝瑞、默克公司、禮來公司此前紛紛宣布“罷手”。 這些公司不愿意繼續(xù)“燒錢”，禮來公司僅在開發(fā)針對β淀粉樣蛋白的單抗新藥Solanezumab所花費(fèi)的資金是90億美金。

論文中指出，失敗的背后或許是，抑制γ-分泌酶的同時(shí)也抑制了Notch的水解。

Notch是一種重要的信號蛋白。論文中提到，除了淀粉樣前體蛋白APP， Notch也是γ-分泌酶的底物。而Notch一旦被異常切割會(huì)導(dǎo)致發(fā)育的異常，與一些包括T細(xì)胞急性淋巴細(xì)胞白血病在內(nèi)的癌癥發(fā)病也有重要聯(lián)系。

“對γ-分泌酶結(jié)合底物機(jī)制研究的缺失是造成失敗的原因之一?！笔┮还劦?，這些藥物旨在降低γ-分泌酶這把大剪刀對淀粉樣蛋白的切割，從而減少淀粉樣沉淀來治療老年癡呆癥，而理想的情況是，這臺(tái)蛋白質(zhì)機(jī)器只減少對淀粉樣蛋白的加工，而不影響處理其他的原材料。“為此，獲得γ-分泌酶與底物Notch以及前體蛋白APP復(fù)合物的結(jié)構(gòu)，對研究γ-分泌酶的底物識(shí)別酶切機(jī)理和設(shè)計(jì)以γ-分泌酶為靶標(biāo)的特異性藥物，具有極大科學(xué)意義和潛在應(yīng)用價(jià)值。”

開發(fā)特異性抑制劑或是正確方向

有沒有一種抑制劑，只會(huì)抑制γ-分泌酶切割水解淀粉樣前體蛋白APP，而不影響Notch？施一公團(tuán)隊(duì)為此從更它們各自復(fù)合物的精細(xì)結(jié)構(gòu)入手。

人源γ-分泌酶由四個(gè)跨膜蛋白亞基組成，分別為早老素presenilin（PS）、Pen-2、APH-1和nicastrin。早老素PS是執(zhí)行酶活功能的膜整合蛋白酶活性亞基，有兩種亞型PS1和PS2。其中，在PS1上已鑒定出超過200種和阿爾茨海默癥相關(guān)的突變，大多數(shù)會(huì)導(dǎo)致Aβ42或Aβ40比例上升。

這篇論文中報(bào)道了γ-分泌酶和β淀粉樣前體蛋白APP的復(fù)合物的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)分辨率高達(dá)2.6埃(1埃=0.1納米)。

研究結(jié)果顯示，γ-分泌酶與底物β淀粉樣前體蛋白APP復(fù)合物的結(jié)構(gòu)中，PS1和底物形成β-折疊片對γ-分泌酶的蛋白水解活性至關(guān)重要。在跨膜區(qū)靠近細(xì)胞內(nèi)的一側(cè)，PS1通過發(fā)生較大的構(gòu)象變化，與底物的胞內(nèi)段形成穩(wěn)定的β-折疊片結(jié)構(gòu)，為穩(wěn)定底物提供了保證。在此狀態(tài)下，底物自身的螺旋結(jié)構(gòu)解開一部分，暴露出被加工的位置。

研究團(tuán)隊(duì)提出了γ-分泌酶結(jié)合底物β淀粉樣前體蛋白APP并依次進(jìn)行多步酶切的機(jī)理：底物的跨膜螺旋隨著加工的進(jìn)行逐步解旋，被再次加工。

值得一提的是，此前的2018年12月31日，施一公等人已在《自然》（Nature）發(fā)表論文，解析了人源γ-分泌酶結(jié)合底物Notch的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，分辨率高達(dá)2.7埃（1埃=0.1納米），揭示結(jié)合底物Notch后γ-分泌酶的構(gòu)象變化。

研究團(tuán)隊(duì)此番在論文中指出，相較而言，γ-分泌酶和底物Notch的復(fù)合物顯示出截然不同的特點(diǎn)。

研究團(tuán)隊(duì)通過系統(tǒng)性地在結(jié)構(gòu)當(dāng)中比較Notch與β淀粉樣前體蛋白APP部分被加工區(qū)域的區(qū)別，揭示了研發(fā)這種特異性抑制劑的潛在的結(jié)合位點(diǎn)。有很多與阿爾茲海默癥相關(guān)的突變集中在PS1和APP上，這些突變可能會(huì)導(dǎo)致對APP的異常切割。其中一些會(huì)發(fā)生多種突變的位點(diǎn)，大多就集中在γ-分泌酶識(shí)別APP的位置。研究團(tuán)隊(duì)通過對結(jié)構(gòu)的詳細(xì)分析，分類討論了這些突變可能影響底物結(jié)合的機(jī)理。

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這或許會(huì)開發(fā)底物特異性的抑制劑帶來啟發(fā)。未來可以開發(fā)特異地抑制β淀粉樣前體蛋白APP的加工而不影響Notch加工的藥物，靶向治療阿爾茲海默癥且不導(dǎo)致副作用。據(jù)了解，研究團(tuán)隊(duì)目前正在研究γ-分泌酶與特異抑制劑的相互作用。

值得注意的是，施一公團(tuán)隊(duì)對阿爾茨海默癥的研究實(shí)際上已超過了10年。2012年，施一公團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志首次報(bào)道了人源早老素蛋白PS在古細(xì)菌Methanoculleus marisnigri JR1中同源蛋白PSH的晶體結(jié)構(gòu)。2014年，研究團(tuán)隊(duì)在阿爾茨海默癥研究γ-分泌酶結(jié)構(gòu)解析的全球競爭中勝出，獲得了分辨率達(dá)到4.5埃的γ-分泌酶三維結(jié)構(gòu)，發(fā)表于《自然》，被施一公認(rèn)為是“我職業(yè)生涯上最重要的突破”。 2015年，研究團(tuán)隊(duì)再次在《自然》發(fā)文，將人源γ-分泌酶電鏡結(jié)構(gòu)的分辨率進(jìn)一步提高到3.4埃。