清華新聞網(wǎng)12月30日電 阿爾茲海默癥（Alzheimer's disease）簡(jiǎn)稱(chēng)AD，亦稱(chēng)老年癡呆癥，是當(dāng)今世界范圍內(nèi)患病最廣泛，病情最嚴(yán)重的神經(jīng)退行性疾病。臨床表現(xiàn)為記憶缺失、運(yùn)動(dòng)功能障礙，最后腦功能?chē)?yán)重喪失直至死亡。隨著年齡的增加，該疾病的發(fā)病概率逐漸增大，統(tǒng)計(jì)表明，在65歲以上人群中，其發(fā)病率高達(dá)10%，在85歲以上人群中，發(fā)病率更是達(dá)到30-50%。然而到目前為止，該疾病沒(méi)有任何特效藥物，預(yù)防方法和治療手段都嚴(yán)重不足，給病人及其家人造成極大的痛苦，也為社會(huì)帶來(lái)沉重的負(fù)擔(dān)。
AD病人的特異性標(biāo)志物之一是腦組織中出現(xiàn)的淀粉樣斑塊沉積，它是由淀粉樣蛋白前體蛋白（APP, amyloid precursor protein）被γ-分泌酶（γ-secretase）切割后產(chǎn)生的Aβ多肽逐漸聚集形成的。γ-分泌酶是由四種亞基Presenilin1（PS1）、Pen-2、Aph-1和Nicastrin（NCT）共同組成的膜內(nèi)蛋白酶復(fù)合物。遺傳學(xué)證據(jù)表明，可遺傳的家族性AD所攜帶的基因突變中有200多個(gè)突變位于編碼γ-分泌酶活性亞基PS1的基因上。一直以來(lái)，抑制γ-分泌酶的切割活性，減少淀粉樣斑塊沉積都是一個(gè)重要的治療AD的策略，很多針對(duì)AD藥物的研發(fā)直接以γ-分泌酶作為靶點(diǎn)，希望通過(guò)調(diào)節(jié)其活性來(lái)治療疾病，一些藥物也曾進(jìn)入臨床II期或III期試驗(yàn)。非常遺憾的是，這些藥物竟無(wú)一例外地宣告失敗，AD藥物研發(fā)領(lǐng)域倍受挫折。
禮來(lái)公司研發(fā)的小分子藥物Semagacestat是最為著名的案例：Semagacestat是第一個(gè)進(jìn)入臨床三期試驗(yàn)的γ-分泌酶抑制劑，該小分子藥物由于其前期試驗(yàn)的顯著效果倍受關(guān)注；但是臨床三期試驗(yàn)結(jié)果顯示，該藥物并未延緩疾病發(fā)展，而且還會(huì)導(dǎo)致患者認(rèn)知能力和日常活動(dòng)能力減弱。除此之外，Semagacestat還會(huì)提高病人患皮膚癌的風(fēng)險(xiǎn)，這很有可能是由于這種抑制劑不僅抑制APP的切割，還抑制了γ-分泌酶另外一種重要底物—Notch的切割，因此合理地設(shè)計(jì)對(duì)APP和Notch具有底物選擇性的γ-分泌酶抑制劑具有重要的價(jià)值。然而一直以來(lái)γ-分泌酶與其小分子藥物的原子分辨率結(jié)構(gòu)的缺失使得進(jìn)一步的藥物設(shè)計(jì)與優(yōu)化面臨著很大困難。
12月28日，生命學(xué)院施一公教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》（Cell）上在線(xiàn)發(fā)表題為“小分子藥物抑制及調(diào)節(jié)γ-分泌酶的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)”（Structural Basis of γ-Secretase Inhibition and Modulation by Small Molecule Drugs）的文章，第一次報(bào)道了γ-分泌酶結(jié)合三種小分子抑制劑（Gamma-SecretaseInhibitor,GSI）和一種調(diào)節(jié)劑（Gamma-SecretaseModulator,GSM）的四個(gè)原子分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，闡明了γ-分泌酶識(shí)別不同種類(lèi)抑制劑及調(diào)節(jié)劑的分子機(jī)理?？蒲腥藛T通過(guò)與2015年解析的γ-分泌酶的結(jié)構(gòu)，以及2019年γ-分泌酶分別結(jié)合底物Notch與APP兩種狀態(tài)進(jìn)行比較分析，首次完整展現(xiàn)了γ-分泌酶結(jié)合底物與藥物的全過(guò)程，為了解γ-分泌酶活性調(diào)節(jié)機(jī)制提供了前所未有的精準(zhǔn)藍(lán)圖，也將極大地推進(jìn)下一代γ-分泌酶抑制劑及調(diào)節(jié)劑的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。
在該研究中，施一公課題組首先解析了γ-分泌酶與Semagacestat的3.0?分辨率結(jié)構(gòu)。Semagacestat在γ-分泌酶中與底物結(jié)合γ-分泌酶所形成的β-strand占據(jù)著相同的位置，對(duì)底物進(jìn)入γ-分泌酶活性中心形成了位阻。值得一提的是，底物Notch與APP所形成的β-strand均會(huì)被Semagacestat阻礙，這一結(jié)果成功地解釋了Semagacestat抑制γ-分泌酶活性的機(jī)制，也一目了然地說(shuō)明了Semagacestat產(chǎn)生副作用的機(jī)制。
接下來(lái)的研究中，解釋對(duì)APP和Notch具有一定選擇性的抑制劑如何結(jié)合γ-分泌酶，對(duì)于開(kāi)發(fā)或優(yōu)化特異性抑制劑意義重大。施一公課題組選擇了進(jìn)入到臨床II期由BMS公司研發(fā)的Avagacestat進(jìn)行研究，成功解析了γ-分泌酶結(jié)合Avagacestat的3.1 ?的結(jié)構(gòu)。出乎意料的是，Avagacestat也占據(jù)著底物的β-strand的位置，但是在與PS1的具體相互作用方面與Semagacestat有所不同。Avagacestat主要與PS1的疏水殘基存在相互作用，只形成了一個(gè)氫鍵，而Semagacestat可以形成四個(gè)氫鍵。結(jié)合Avagacestat與結(jié)合Semagacestat后的PS1的構(gòu)象有一定區(qū)別，呈現(xiàn)出更為“松散”的狀態(tài)，Avagacestat的底物選擇性或許和這些相互作用形式的不同有關(guān)。
Semagacestat和Avagacestat都是γ-分泌酶抑制劑中的非過(guò)渡狀態(tài)類(lèi)似物（non-transition state analog，non-TSA），除此之外，還有過(guò)渡狀態(tài)類(lèi)似物（transition state analog，TSA）抑制劑。為了更全面地闡述所有類(lèi)型抑制劑的作用機(jī)理，他們進(jìn)一步解析了γ-分泌酶結(jié)合TSA抑制劑L685,458的的結(jié)構(gòu)。在γ-分泌酶研究領(lǐng)域，L685,458具有獨(dú)特的地位，因?yàn)楹芏嘤糜谘芯喀?分泌酶構(gòu)象變化的化學(xué)工具都是L685,458的衍生物。意料之中，L685,458的一部分也具有與前面兩種抑制劑相同的空間占位。不同之處在于，L685,458還可以與γ-分泌酶的兩個(gè)天冬氨酸催化殘基存在直接相互作用，清楚地捕捉到了天冬氨酸水解酶催化過(guò)程中形成“正四面體”中間態(tài)的構(gòu)象。
至此，該研究成功揭示了三種不同的γ-分泌酶抑制劑的作用機(jī)理，分析了其共同點(diǎn)，更重要的是揭示了三者之間的區(qū)別，為未來(lái)優(yōu)化和設(shè)計(jì)具有底物特異性的抑制劑奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
然而抑制機(jī)理的研究只是γ-分泌酶活性調(diào)節(jié)的一個(gè)環(huán)節(jié)，在以γ-分泌酶為靶點(diǎn)的小分子藥物設(shè)計(jì)領(lǐng)域，還有另一類(lèi)不容忽視的小分子，即γ-分泌酶活性調(diào)節(jié)劑（GSMs）。γ-分泌酶調(diào)節(jié)劑（GSMs）在A(yíng)D藥物的研發(fā)方面也具有很大的潛力。與GSI不同的是，GSMs并不完全抑制γ-分泌酶切割活性，而是一定程度上促進(jìn)毒性較強(qiáng)的Aβ42的進(jìn)一步切割，形成更為安全的Aβ38等更短的多肽，緩解淀粉樣斑塊的形成。因此GSMs或許可以輔助GSIs以達(dá)到更優(yōu)的切割效率和底物選擇性。E2012是一種雜環(huán)類(lèi)化合物，它可以和L685,458同時(shí)結(jié)合γ-分泌酶達(dá)到更高的抑制效果。該研究中展示了γ-分泌酶和E2012、L685,458的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，分辨率高達(dá)2.6 ?。E2012像一把匕首，一側(cè)插入到PS1和NCT共同形成的結(jié)合空腔中，這也是首次明確了γ-分泌酶結(jié)合GSM的位點(diǎn)。E2012結(jié)合后可以和PS1的loop1形成氫鍵，loop1與γ-分泌酶的底物也存在相互作用。對(duì)比底物結(jié)合的構(gòu)象，E2012空間上對(duì)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。這種位阻效應(yīng)，客觀(guān)上構(gòu)成了底物跨膜螺旋兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，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)。
γ-分泌酶結(jié)合三種小分子抑制劑（Semagacestat、Avagacestat和L685,458）和一種調(diào)節(jié)劑（E2012）的原子分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。三種小分子抑制劑結(jié)合在相同的位置，占據(jù)底物β-strand的位置，與PS1的β-strand相互作用。調(diào)節(jié)劑E2012結(jié)合在另外一個(gè)別構(gòu)調(diào)節(jié)位置。
施一公課題組一直以來(lái)都將揭示阿爾茲海默癥的發(fā)病機(jī)理作為重點(diǎn)研究方向，其中與AD相關(guān)的重要蛋白γ-分泌酶的三維結(jié)構(gòu)及其作用機(jī)理的解析是一項(xiàng)重要的環(huán)節(jié)。2012年，施一公及其團(tuán)隊(duì)在《自然》期刊上發(fā)表文章報(bào)道了PS1的同源蛋白PSH的晶體結(jié)構(gòu)。2014-2015年，先后在《自然》報(bào)道了分辨率為4.5?以及3.4 ?人源γ-分泌酶的三維結(jié)構(gòu)，第一次報(bào)道了人源γ-分泌酶的冷凍電鏡三維重構(gòu)結(jié)構(gòu)，并分析了γ-分泌酶中催化亞基PS1上的致病突變。2019年，經(jīng)過(guò)近五年的不懈努力，分別在《自然》和《科學(xué)》期刊發(fā)表論文報(bào)道了γ-分泌酶結(jié)合重要底物Notch和淀粉樣前體蛋白APP的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，分辨率達(dá)到了2.7 ?和2.6 ?，這兩篇文章為理解γ-分泌酶特異性識(shí)別并切割底物的分子機(jī)制提供了重要基礎(chǔ)。此次研究是在之前研究基礎(chǔ)上γ-分泌酶結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的又一次進(jìn)步與突破，為開(kāi)發(fā)以γ-分泌酶為靶點(diǎn)的特異性藥物提供了極為重要的基礎(chǔ)。
施一公教授是該研究論文的通訊作者，清華大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心原卓越學(xué)者、現(xiàn)中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)教授楊光輝，清華大學(xué)生命學(xué)院助理研究員周瑞，清華大學(xué)生命學(xué)院三年級(jí)博士生郭雪飛為論文的共同第一作者。清華大學(xué)高精尖創(chuàng)新中心的研究員閆創(chuàng)業(yè)博士參與了本項(xiàng)工作，清華大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)的雷建林博士對(duì)數(shù)據(jù)收集進(jìn)行了指導(dǎo)。國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)中心（北京）清華大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)和清華大學(xué)高性能計(jì)算平臺(tái)分別為該研究的數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)處理提供了支持，冷凍電鏡平臺(tái)的李曉敏博士、楊帆博士對(duì)數(shù)據(jù)收集提供了幫助。北京市結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心（清華）、科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃為該研究提供了經(jīng)費(fèi)支持。
論文鏈接
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(20)31621-4
供稿：生命學(xué)院
編輯：李華山
審核：呂婷
