聚焦老年痴呆關鍵領域 施一公團隊頂級期刊連發兩文

原標題：聚焦老年痴呆關鍵領域，施一公團隊頂級期刊連發兩文

　　在與阿爾海默茨症發病密切相關的關鍵蛋白研究領域，施一公研究組連下兩城！

　　2018年12月31日和2019年1月10日，西湖大學校長、清華大學生命學院、結構生物學高精尖創新中心施一公教授領導的研究團隊分別於《自然》和《科學》發表兩篇長文：《人源γ-分泌酶識別底物Notch的結構機制》、《人源γ-分泌酶底物澱粉樣前體蛋白的識別》，報導了人體γ-分泌酶分別結合底物Notch以及和澱粉樣前體蛋白（APP）的高解析度冷凍電鏡結構。兩篇論文分別揭示了了結合兩種不同底物後γ-分泌酶發生的構象變化，並對這些構象變化的功能進行了生化研究，為理解γ-分泌酶特異性識別並切割底物的分子機制提供了重要認知基礎，從而為研究與癌症以及阿爾茲海默症相關的特異性藥物設計提供了重要的結構信息。

　　阿爾茲海默症患者有增無減，γ-分泌酶是藥物開發的重要靶點

　　據這兩篇長文的共同第一作者——清華大學生命學院博士後、結構生物學高精尖創新中心卓越學者楊光輝、周瑞介紹，阿爾茲海默症（AD，俗稱老年痴呆症）是當今世界面臨的最為嚴峻的神經退行性疾病。臨床表現為腦組織切片中出現澱粉樣斑塊，神經元死亡，認知和記憶能力受損，最後腦功能嚴重受損直至死亡。

　　統計結果表明，在65歲以上人群中，其發病率高達10%；在85歲以上人群中，發病率更是達到30-50%；我國目前罹患該病的人口高達500萬，約佔世界患者總數的四分之一。

　　更為嚴峻的是，由於世界範圍內預防治療手段不足，缺乏特效藥物，該疾病有發病年齡提前、發病人數增加的趨勢，給病人及家屬造成極大痛苦，也同時為社會帶來沉重負擔。

　　兩位博士後指出，阿爾茲海默症的發病機理尚不明確。病人腦組織中的澱粉樣斑塊，是由澱粉樣蛋白前體蛋白（APP）被酶切割產生的短肽聚集而來。在此切割過程中，最關鍵的蛋白酶是γ-分泌酶。γ-分泌酶由四個跨膜蛋白亞基組成，分別為Presenilin（PS1）、Pen-2、Aph-1和Nicastrin。

　　「如果把底物Notch或者APP比喻成一根繩子，那麼γ-分泌酶的作用就是要把這根繩子剪成一段一段。如果切割產生異常，或者這些剪出來的小段纏繞在一起就有可能導致疾病。在γ-分泌酶的四個組分中，PS1就是那把剪刀」楊光輝說。

　　澱粉樣蛋白前體蛋白（APP）被γ-分泌酶切割示意圖。

　　周瑞告訴記者，構成PS1蛋白的基因中有200多個突變與AD病人相關，這些突變有可能導致PS1功能異常而引起阿爾茲海默症的發生。此外，除了澱粉樣蛋白，重要的信號蛋白Notch也是γ-分泌酶的底物。Notch的異常切割會導致發育的異常，與一些諸如T細胞急性淋巴細胞白血病在內的癌症發病也有重要聯繫。「作為與阿爾茲海默症和癌症均緊密相關的蛋白，很多藥物的研發直接以γ-分泌酶作為靶點，希望通過調節其活性來治療相關疾病。」

　　γ-分泌酶活性抑制研發均告失敗，相關機理研究缺失是主因

　　「遺憾的是，近年來多種旨在減少澱粉樣沉澱的γ-分泌酶活性抑制劑的臨床實驗均宣告失敗。特別是被寄以厚望的禮來公司研發的的Semagacestat，也在臨床實驗階段宣告失敗。」兩篇長文的通訊作者施一公教授告訴記者，這些藥物旨在降低γ-分泌酶這把大剪刀對澱粉樣蛋白的切割，從而減少澱粉樣沉澱來治療老年痴呆症。「臨床實驗表明，這些抑制劑雖然能夠減少對澱粉樣蛋白的加工，卻並不能改善患者的認知狀況。更嚴重的是，由於抑制劑同時抑制了Notch的加工，使得AD病人罹患癌症的風險大幅增，該臨床實驗不得不提前終止。」

　　「究其原因，對γ-分泌酶結合底物機制研究的缺失是造成失敗的原因之一。」施一公說，理想情況是：這臺蛋白質機器只減少對澱粉樣蛋白的加工，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複合物的結構，對研究γ-分泌酶的底物識別酶切機理和設計以γ-分泌酶為靶標的特異性藥物，具有極大科學意義和潛在應用價值。」

　　揭開γ-分泌酶如何識別、剪切底物之謎，為藥物設計提供潛在靶標

　　施一公教授2006年在清華大學建設實驗室之初，就將揭示阿爾茲海默症的發病機理作為重點研究方向，其中一個主要環節是解析γ-分泌酶的高解析度結構，揭示Presenilin突變體的致病機理。經過長期不懈的努力，他們自2012年以來取得一系列重要突破。這兩篇文章報導是此前施一公研究組對γ-分泌酶結構與功能系統研究不斷深入的延續，回答了γ-分泌酶如何識別和剪切底物這一基本問題。

　　施一公和楊光輝（左）、周瑞。

　　由於酶與底物的「結合-酶切-解離」這一過程速度極快、轉瞬即逝，獲得酶與底物的複合物結構難度非常大。施一公課題組通過嚴謹的設計和篩選，通過原位交聯的辦法，成功獲得了γ-分泌酶分別與底物Notch和APP的穩定複合物，並解析了解析度高達2.7埃和2.6埃(1埃=0.1納米)的結構。

　　研究結果顯示，γ-分泌酶與底物複合物的結構中，PS1發生了較大的構象變化。尤為值得一提的是，在跨膜區靠近細胞內的一側，PS1通過構象變化，與底物的胞內段形成穩定的β-摺疊片結構，為穩定底物提供了保證。在此狀態下，底物自身的螺旋結構解開一部分，暴露出被加工的位置。研究組提出了γ-分泌酶結合底物並依次進行多步酶切的機理：底物的跨膜螺旋隨著加工的進行逐步解旋，被再次加工。

　　此外，文章還討論了底物進入分泌酶的路徑。

　　毫無疑問，研發可以特異地抑制APP的加工而不影響Notch加工的藥物，對於靶向治療阿爾茲海默症且不導致副作用具有重大價值。研究組通過系統性地在結構當中比較Notch與APP部分被加工區域的區別，揭示了研發這種特異性抑制劑的潛在的結合位點。有很多與阿爾茲海默症相關的突變集中在PS1和APP上，這些突變可能會導致對APP的異常切割。其中一些會發生多種突變的位點，大多就集中在γ-分泌酶識別APP的位置。研究組通過對結構的詳細分析，分類討論了這些突變可能影響底物結合的機理。

　　據悉，研究組正在研究γ-分泌酶與特異抑制劑的相互作用，期望能為針對老年痴呆的藥物研發提供更多基礎信息。

　　圖1： γ-分泌酶結合Notch複合物的冷凍電鏡結構。a. γ-分泌酶結合Notch複合物的密度圖。其中橙色標記的為結合的Notch；b. γ-分泌酶結合Notch複合物結構模型；c. 底物結合與不結合狀態下催化亞基PS1的結構比較，灰白色為未結合底物的狀態，青色和藍色為結合底物的狀態，藍色部分為發生變化的主要區域； d. PS1與底物跨膜區靠近細胞膜一側形成β摺疊片，從而穩定結合底物；e-f. 與γ-分泌酶結合後底物Notch發生的構象變化。橙色為結合在γ-分泌酶中的Notch構象，灰白色為未結合的構象。

　　圖2：γ-分泌酶結合APP複合物的冷凍電鏡結構。a. γ-分泌酶結合APP複合物結構模型；b. PS1與底物APP所形成的β摺疊片結構，其中一個來源於底物，另外兩個片層來源於PS1；c. APP與Notch跨膜區結合γ-分泌酶狀態下表面特徵比較，可以觀察到兩種底物的具體區別；d. APP與γ-分泌酶催化亞基PS1跨膜區中部分與阿爾茲海默症相關突變分布。