施一公课题组在阿尔茨海默病领域又取得重要进展。
近日，国际著名学术期刊《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。
这篇论文在国际上首次报道了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，首次完整展现了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前所未有的精度了解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第一作者，施一公是通讯作者。
本研究论文截图
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是第一个进入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，还是另一个著名蛋白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。
