撰文 | 小白薯
責編 | 兮
阿爾茲海默症(Alzheimer’s disease, AD)是由β-澱粉樣蛋白（amyloid β-protein，Aβ）的沉積引起。其中Aβ的沉積來源於澱粉樣前體蛋白（amyloid precursor protein，APP）的不正常切割導致在大腦中無法清除的積累。APP在胞外空間首先被β-secretase切割，然後APP C端99個蛋白質的片段進一步被γ-secretase切割，產生一個胞內結構域和一個48或49個殘基的跨膜短肽（Aβ48和Aβ49）。Aβ48和Aβ49可繼續被γ-secretase以消化三個或者四個殘基的方式切割，生成不同長度的短肽，比如Aβ40，Aβ42，Aβ43，Aβ45，Aβ46【1】。這些不同長度的Aβ短肽的長期積累就會導致β-澱粉樣斑的沉積，其中Aβ42和Aβ43最容易聚集，從而引起AD【2】。
引起AD的關鍵酶γ-secretase包含四個組分，催化結構域Presenilin(包含兩個亞基PS1和PS2）, Pen-2, APH-1, 和nicastrin(NCT)。目前發現的大部分與AD相關的突變都發生在PS1上【3】，在PS2和APP上的相對較少，但是幾乎所有的突變都會導致APP的不正常切割【4】。這些發現表明Aβ寡聚體和澱粉樣斑是導致AD的一個重要成因。在這個假設前提下，如果能夠抑制或者調節γ-secretase的切割活性，或許能夠減少或控制Aβ的產生，從而減少Aβ寡聚體和樣斑的積累，達到治療AD的目的【5】。因此理解γ-secretase的分子機理以及藥物對γ-secretase的作用機制對於AD的治療極為關鍵。
在此前，施一公課題組已經詳細的闡述過γ-secretase的原子解析度結構及其相關機理【6-8】。
（詳見BioArt報導：https://mp.weixin.qq.com/s/-vacPuMfDjVSOCqbBhnKCQ）
2020年12月28日，施一公課題組（清華大學為第一單位）再次在Cell雜誌發表了題為「Structural basis of γ-secretase inhibition and modulation by small molecule drugs」的研究論文。作者通過冷凍電鏡（Cryo-EM）技術，解析了目前針對γ-secretase開發、用於治療AD的臨床藥物或候選藥物與γ-secretase複合物的高解析度結構，揭示了藥物抑制劑或調節劑的工作機理，為指導該藥物的臨床試驗以及下一代的藥物開發提供了重要幫助。
對於γ-secretase的藥物開發主要分為γ-secretase抑制劑（γ-secretase inhibitors, GSIs）和調節劑（γ-secretase modulators，GSMs）。作者通過冷凍電鏡技術，解析了一系列GSIs或SGMs與γ-secretase 的複合物結構，所有的複合物結構解析度均在2.6–3.1 Å之間。
Semagacestat，也叫 LY-450139【9】，是第一個進入臨床三期評估的GSI。相對於早期鼓舞人心的試驗結果，Semagacestat在臨床三期試驗時發現沒有改善患者的認知水平，並且表現出一些其他的副作用。其副作用包括對其他底物比如Notch的切割活性的抑制，該抑制會嚴重影響Notch信號通路的正常功能【10】。如若想排除對Notch的影響，則必須開發特異性抑制並且對Notch沒有影響的GSIs。對於Semagacestat與γ-secretase的結構解析有助於指導開發副作用小、底物特異性、對Notch切割活性無影響的下一代GSIs。生化實驗表明，Semagacestat對γ-secretase的半抑制濃度（IC50）在幾個微摩爾級別。為了更好的理解Semagacestat與γ-secretase的相互作用機制，作者解析了二者的高解析度複合物結構，平均解析度3.0 Å（圖1）。結構顯示Semagacestat的位置位於PS1區域，並且佔據了APP-C99或Notch-100的同樣位置，非常合理的解釋了Semagacestat抑制功能。
圖1. Semagacestat與γ-secretase複合物結構
另一個很有希望的臨床試驗候選藥物代表是Avagacestat（也叫BMS-708163），相對於對Notch，它表現出更加偏好對APP的切割抑制【11】。但是，高劑量的Avagacestat仍然對Notch有抑制作用，並且展現出一定的毒性。儘管如此，為了更好的理解其作用機制，生化實驗分析表明，Avagacestat對γ-secretase的IC50在16 nmol左右。結構數據解析到Avagacestat與γ-secretase複合物結構解析度為3.1 Å（圖2），其中Avagacestat藥物的結合位點幾乎與Semagacestat一樣，也位於PS1區域，同樣合理地解釋了其抑制功能。
圖2. Avagacestat與γ-secretase的複合物結構
根據抑制機制的不同，GSIs又可以分為過渡態藥物（Transition state analog，TSA）和非過渡態藥物（non-Transition state analog，non-TSA）【12】。Semagacestat和Avagacestat都是屬於非競爭性non-TSA抑制劑。相比之下，「L685,458」是一款被廣泛研究的競爭性TSA【11】。研究表明，「L685,458」可能直接結合在PS1的活性位點。生化實驗表明L685,458的IC50在74 nmol左右。為了獲得該藥物的作用機制，作者將L685,458藥物小分子與γ-secretase進行孵育，最終解析到平均解析度3.1 Å 的複合物結構（圖3）。結構顯示，L685,458主要通過形成七個氫鍵結合在PS1的幾個殘基上，其中兩個是催化位點，幾乎與此前預測的一致。
圖3. 「L685,458」與γ-secretase的複合物結構
除了GSIs，GSMs也是被認為能夠減輕AD症狀的研究熱點。GSMs也許能夠進一步切割Aβ42，以減少Aβ肽鏈的不正常聚集，從而達到減輕或者根除AD症狀的目的【13】。不像GSIs，GSMs被認為是可以在多個不同的位點別構調節γ-secretase活性的藥物分子。因此，可以想像，一類特定的GSI也學能夠與一些GSM一起實現底物特異的抑制作用，達到調節的雙重效果。E2012是一個被長期研究的GSM家族成員【14】。此前研究表明，E2012與L685,458二者一起作用，可以引起協同效應。比如5 nM的L685,458或者50 μM的E2012都只能引起γ-secretase對APP-C99輕微的抑制活性。但是，當兩者一起作用時，γ-secretase的切割活性幾乎被完全抑制【15】。為了更好地理解GSMs的作用機制，作者解析了γ-secretase同時結合E2012與L685,458的複合物結構，解析度達到2.6 Å（圖4）。該結構很好的解釋了E2012的別構效應調節機制，為下一代的GSMs藥物開發鋪好了道路。
圖4.E2012與γ-secretase的複合物結構
總的來說，本篇論文通過Cryo-EM技術，解析了γ-secretase與多個不同的抑制藥物和一個調節藥物的複合物結構，解釋了各個藥物對γ-secretase的作用機制。結構的闡述和機制的解析對於現有的藥物改進和下一代的藥物開發具有非常重要的指導意義，整個研究對於AD的治療提供了前進的動力和方向。
原文連結：https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.11.049
製版人：SY
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