施一公课题组在阿尔茨海默病领域又取得重要进展。
近日，国际学术期刊《细胞》在线发表了清华大学生命学院施一公课题组研究论文。
这篇论文在国际上报道了γ-分泌酶（淀粉样蛋白前体蛋白的重要切割酶）结合三种小分子抑制剂（GSI）和一种调节剂（GSM）的冷冻电镜结构，阐明了γ-分泌酶识别不同种类抑制剂及调节剂的分子机理[1]。
这项研究成果与该团队在2015年解析的γ-分泌酶的结构[2]，以及2019年解析的γ-分泌酶与重要底物Notch[3]和淀粉样蛋白前体蛋白（APP）[4]的高分辨率三维结构一起，完整展现了γ-分泌酶结合底物与药物的全过程。
总的来说，这项研究成果让我们能以优秀的精度了解γ-分泌酶活性的调节机制，对于治疗阿尔茨海默病的下一代γ-分泌酶抑制剂及调节剂的设计，有巨大的推动作用。
杨光辉、周瑞和郭雪飞是论文的共同作者，施一公是通讯作者。
阿尔茨海默病（AD），也就是我们嘴里常说的老年痴呆（这个说法不是很严谨），是人类健康的大敌，目前全球患者数千万。
遗憾的是，目前还没有任何特效药物获批上市。也正因如此，《自然》杂志也把靶向淀粉样蛋白的抗体aducanumab的获批进展，评选为“2021年十大值得关注的科学事件”[5]。
我们都知道，阿尔茨海默病患者的病理标志物之一是脑组织中出现的淀粉样斑块沉积。这些病理性斑块是由γ-分泌酶从APP上切出来的β淀粉样蛋白（主要是Aβ42）逐渐聚集而成。
因此，从理论上讲，只要能搞定γ-分泌酶，就能减少β淀粉样蛋白的形成，进而达到延缓阿尔茨海默病进展的目的[6]。
实际上，目前已经有很多γ-分泌酶抑制剂和调节剂正处于临床研究阶段。
Semagacestat是一个进入III期临床评估的γ-分泌酶抑制剂，虽然该药物的早期研究结果令人鼓舞[7]，但是III期研究不仅没有延缓疾病发展[8]，反而导致患者认知能力和日常活动能力减弱，甚至提高了患者患皮肤癌的风险。
究其背后原因，是因为γ-分泌酶不仅是APP的切割酶，还是另一个知名蛋白Notch的切割酶[9，10]。
Notch那可以一个神通广大的蛋白，它控制的信号通路影响着细胞的分化、凋亡和增殖，与癌症的发生和进展那也是密切相关。
Notch信号通路的作用范围
为了解决这个问题，研究人员已经开发出了特异性抑制γ-分泌酶切割APP的抑制剂，Avagacestat（BMS-708163）就是其中具有代表性的一个[11]。尽管Avagacestat优先抑制APP的切割，但是高剂量的Avagacestat仍然会抑制γ-分泌酶切割Notch，并导致毒副作用[12，13]。
在施一公课题组成员看来，想要开发出特异性更好的γ-分泌酶抑制剂，搞清楚γ-分泌酶与小分子药物的作用机制至关重要。然而，到目前为止，还没有任何γ-分泌酶与小分子抑制剂等相互作用的原子模型。
因此，从结构上了解γ-分泌酶抑制剂的分子机制就成了本研究的主要目的。
为了尽可能了解γ-分泌酶抑制剂与γ-分泌酶相互作用的共同之处和差异，施一公教授团队不仅研究了Semagacestat和Avagacestat这两个非过渡状态类似物，还研究了另一种γ-分泌酶抑制剂——直接结合γ-分泌酶PS1活性位点的竞争性过渡状态类似物L-685,458[14]。
此外，γ-分泌酶调节剂E2012[14]也被纳入本研究。与γ-分泌酶抑制剂作用机制不同，γ-分泌酶调节剂会结合到远离γ-分泌酶活性位点的一个独特的位点上，促进γ-分泌酶对Aβ42的进一步裂解，从而减少易聚集β淀粉样蛋白的数量[16]。而且，在γ-分泌酶抑制剂L-685,458的存在下，E2012的效果还会增强[16]。
γ-分泌酶的结构
接下来咱们就一起一个一个地看看上面提到的4种化合物与γ-分泌酶结合之后的冷冻电镜结构。
第一个是会同时抑制γ-分泌酶切割APP和Notch的Semagacestat，施一公课题组得到了3.0Å分辨率结构。
从结构上看，Semagacestat成功占据了γ-分泌酶上原本该结合APP和Notch蛋白β链的位置。要知道，β链可是引导APP和Notch等底物被γ-分泌酶切割的关键所在[3，4]。
也就是说Semagacestat抢占了APP和Notch与γ-分泌酶结合的位点，成功地抑制了γ-分泌酶对APP和Notch的切割。这在一定程度上直观地解释了Semagacestat导致严重副作用的分子机制。
Semagacestat与γ-分泌酶的结合图
看完Semagacestat与γ-分泌酶作用机制之后，你心里可能在想：Avagacestat既然是选择性抑制γ-分泌酶切割APP，那结合位点与Semagacestat定然不同。
如果你还知道Avagacestat和Semagacestat的化学结构差异巨大，那你应该会更加笃信上述猜想。
实际上，施一公课题组的成员一开始也是这么想的。
但是当他们拿到Avagacestat与γ-分泌酶3.1 Å的结构之后，被他们看到的事实惊呆了。Avagacestat与Semagacestat在γ-分泌酶上的结合位点完全相同。
Avagacestat与γ-分泌酶的结合
如此看来，Avagacestat抑制γ-分泌酶的机制与Semagacestat其实是一样的。那问题来了：Avagacestat为啥表现出了选择性呢？
深入研究才发现，原来Avagacestat与Semagacestat虽然在γ-分泌酶上占据了同样的位点，但是二者的结合模式还是存在细微的差异。
具体来说，Avagacestat主要与γ-分泌酶PS1周围疏水残基相互作用，与Gly382的酰胺基团只有一个氢键；相比之下，Semagacestat通过四个氢键固定在结合口袋上。除此之外，还有一些细微的差异。
换句话说，与Semagacestat相比，Avagacestat与γ-分泌酶的PS1结合后，构象更“松散”。或许就是这种差异，导致了二者之间的选择性差异。
随后解析L-685,458与γ-分泌酶3.1 Å的结构发现：L685,458的一部分也在γ-分泌酶上占据了与前面两种抑制剂相同的位置。当然，L-685,458其余部分与γ-分泌酶之间的相互作用，与前面两种化合物存在差异。
不过，总的来看，三种γ-分泌酶抑制剂都占据了γ-分泌酶PS1中原本属于APP和Notch蛋白β链的位置。只不过相互作用的具体残基有所差异。
三个化合物结合详情的比较
咱们再来看看E2012。
如前面所介绍，E2012前面三种化合物的作用机制不相同。但是E2012可以和L685,458同时结合γ-分泌酶，并达到更高的抑制效果[16]。那E2012和L685,458都结合到γ-分泌酶上，会是什么样的模样呢？
分辨率高达2.6 Å的冷冻电镜结构显示：E2012和L685,458结合在γ-分泌酶上两个不同的位置，E2012插入到了PS1与γ-分泌酶的NCT结构域形成结合空腔中。
这也是学界明确了调节剂结合γ-分泌酶的位点。
进一步的研究发现，E2012结合到γ-分泌酶之后，可以和PS1的loop1形成氢键，而loop1与γ-分泌酶的底物招募密切相关[3，4]。
E2012（红）和L458结合γ-分泌酶的位点比较
至于L685,458为何能增强E2012的效果，研究人员也做了探索，他们“对比底物结合的构象，E2012空间上对底物跨膜螺旋的一侧具有一定的位阻效应，但不完全重合，这与抑制剂是有明显区别的”[17]。
因此，他们认为“这种位阻效应，客观上构成了底物跨膜螺旋两个方向的运动趋势，为解释E2012促进Aβ42切割成Aβ38的别构调节机制提供了结构基础”[17]。
你可能看出来了，上面两段说的内容其实我也没看懂，所以就引用了清华大学官方稿件的说法。如果你想知道详细的信息，可以点击文末“阅读原文”查阅论文原文。
总的来说，施一公课题组这项研究成果让我们看清楚了γ-分泌酶抑制剂和调节剂的作用机制，对于开发更好的治疗AD药物，有极大的促进作用。
无论如何，期待科学家在AD基础研究和治疗领域取得更多的突破。
参考文献：
[1].Guanghui Yang, Rui Zhou, Xuefei Guo, et al. Structural basis of γ-secretase inhibition and modulation by small molecule drugs[J]. Cell, 2020.
[2].Bai X, Yan C, Yang G, et al. An atomic structure of human γ-secretase[J]. Nature, 2015, 525(7568): 212-217.
[3].Yang G, Zhou R, Zhou Q, et al. Structural basis of Notch recognition by human γ-secretase[J]. Nature, 2019, 565(7738): 192-197.
[4].Zhou R, Yang G, Guo X, et al. Recognition of the amyloid precursor protein by human γ-secretase[J]. Science, 2019, 363(6428).
[5].Else H. The science events to watch for in 2021[J]. Nature.
[6].Golde T E, Petrucelli L, Lewis J. Targeting Aβ and tau in Alzheimer's disease, an early interim report[J]. Experimental neurology, 2010, 223(2): 252-266.
[7].Siemers E R, Dean R A, Friedrich S, et al. Safety, tolerability, and effects on plasma and cerebrospinal fluid amyloid-β after inhibition of γ-secretase[J]. Clinical neuropharmacology, 2007, 30(6): 317-325.
[8].Doody R S, Raman R, Farlow M, et al. A phase 3 trial of semagacestat for treatment of Alzheimer's disease[J]. New England Journal of Medicine, 2013, 369(4): 341-350.
[9].Doody R S, Raman R, Sperling R A, et al. Peripheral and central effects of γ-secretase inhibition by semagacestat in Alzheimer’s disease[J]. Alzheimer's research & therapy, 2015, 7(1): 36.
[10].Aster J C, Pear W S, Blacklow S C. The varied roles of Notch in cancer[J]. Annual Review of Pathology: Mechanisms of Disease, 2017, 12: 245-275.
[11].Gillman K W, Starrett Jr J E, Parker M F, et al. Discovery and evaluation of BMS-708163, a potent, selective and orally bioavailable γ-secretase inhibitor[J]. ACS Medicinal Chemistry Letters, 2010, 1(3): 120-124.
[12].Coric V, van Dyck C H, Salloway S, et al. Safety and tolerability of the γ-secretase inhibitor avagacestat in a phase 2 study of mild to moderate Alzheimer disease[J]. Archives of neurology, 2012, 69(11): 1430-1440.
[13].Coric V, Salloway S, van Dyck C H, et al. Targeting prodromal Alzheimer disease with avagacestat: a randomized clinical trial[J]. JAMA neurology, 2015, 72(11): 1324-1333.
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[16].Pozdnyakov N, Murrey H E, Crump C J, et al. γ-Secretase modulator (GSM) photoaffinity probes reveal distinct allosteric binding sites on presenilin[J]. Journal of Biological Chemistry, 2013, 288(14): 9710-9720.
[17].https://news.tsinghua.edu.cn/info/1003/84251.htm
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