施一公團隊再解阿爾茲海默重要蛋白結構,登上《細胞》雜誌
2020年12月29日14:53

原標題:施一公團隊再解阿爾茲海默重要蛋白結構,登上《細胞》雜誌

北京時間2020年12月29日淩晨0時,《細胞》(Cell)發表中科院院士、西湖大學校長施一公課題組的一項新研究。

γ-分泌酶結合三種小分子抑製劑(Semagacestat、Avagacestat和L685,458)和一種調節劑(E2012)的原子解像度冷凍電鏡結構。(課題組供圖)
γ-分泌酶結合三種小分子抑製劑(Semagacestat、Avagacestat和L685,458)和一種調節劑(E2012)的原子解像度冷凍電鏡結構。(課題組供圖)
研究首次報導了γ-分泌酶(γ-secretase)結合三種小分子抑製劑(Gamma-Secretase Inhibitor, GSI)和一種調節劑(Gamma-Secretase Modulator, GSM)的4個原子解像度冷凍電鏡結構,闡明了γ-分泌酶識別不同種類抑製劑及調節劑的分子機理。

該論文第一作者、原清華大學結構生物學高精尖中心卓越學者、現任中國農業大學教授楊光輝向《中國科學報》介紹,這項工作將為研究阿爾茲海默症以及癌症相關具有底物選擇性的γ-分泌酶抑製劑提供重要的結構信息。

阿爾茲海默症(Alzheimer’s disease)是當今世界範圍內患病最廣泛、病情最嚴重的神經退行性疾病,目前為止尚無任何特效藥物。

“γ分泌酶是個蛋白酶,它的功能是去切割或水解其它蛋白質,澱粉樣蛋白就是它的水解對象之一,這類蛋白的斑塊沉積與阿爾茲海默症的發病關係非常密切。”楊光輝告訴《中國科學報》。一直以來,科學家都在圍繞阿爾茲海默症病人特異性標誌物“澱粉樣斑塊沉積”形成這一原理來開發疾病治療策略,許多針對阿爾茲海默症的藥物研發也直接以γ-分泌酶作為靶點,以期通過調節其活性來治療疾病。

回顧歷史,以γ-分泌酶作為靶點藥物也曾進入臨床II期或III期試驗,但均以失敗結束。其中,首個進入臨床III期試驗的γ-分泌酶抑製劑小分子藥物Semagacestat的試驗結果顯示,藥物使用並未延緩疾病發展,據論文共同第一作者、清華大學生命學院助理研究員周瑞介紹,“Semagacestat不但導致了患者認知能力和日常活動能力減弱,還提高了病人患皮膚癌的風險。”究其原因,極有可能是由於這種抑製劑在抑製APP的切割同時,還抑製了γ-分泌酶的另一重要底物Notch的切割。

為從失敗中尋找答案,在最新的這項工作中,研究人員首先解析了γ-分泌酶與其抑製劑Semagacestat的3.0 ?解像度結構,發現Semagacestat形成的“位阻”是其發揮抑製作用、產生副作用的機製。

接下來,研究人員解析了γ-分泌酶結合另一種抑製劑Avagacestat的3.1 ?的結構。Avagacestat由百時美施貴寶(BMS)研發,目前已進入臨床II期試驗階段。

“結果出乎意料,Avagacestat結合在與Semagacestat幾乎一致的位置,也存在‘位阻’,但其相互作用呈現更為‘鬆散’的狀態。”楊光輝告訴《中國科學報》,“這提示我們Avagacestat的底物選擇性或許和這些相互作用形式的不同有關。”同時,為更全面的闡述所有類型抑製劑的作用機理,研究人員還進一步解析了γ-分泌酶結合過渡狀態類似物(TSA)抑製劑L685,458的結構。

該研究揭示了三種不同的γ-分泌酶抑製劑的作用機理,分析了其共同點,更重要的是揭示了三者之間的區別,為未來優化和設計具有底物特異性的抑製劑奠定了堅實基礎。

γ-分泌酶結合三種小分子抑製劑(Semagacestat、Avagacestat和L685,458)和一種調節劑(E2012)的原子解像度冷凍電鏡結構。(課題組供圖)
γ-分泌酶結合三種小分子抑製劑(Semagacestat、Avagacestat和L685,458)和一種調節劑(E2012)的原子解像度冷凍電鏡結構。(課題組供圖)

此外,研究人員還圍繞γ-分泌酶活性調節劑(GSMs)的機理,解析了相關冷凍電鏡結構,解像度高達2.6 ,對更加完整地理解γ-分泌酶活性調節提供了結構信息。

施一公實驗室一直致力於揭示阿爾茲海默症發病機理,γ-分泌酶三維結構及其工作機理的解析是一個重要方向,多年來在《自然》(Nature)、《科學》(Science)、《細胞》(Cell)等期刊上發表了多項以這一蛋白酶為核心的研究成果。

“實驗室前期所進行的人源γ-分泌酶以及γ-分泌酶結合重要底物冷凍電鏡結構研究為今天發表有關γ-分泌酶的藥物調節結構打下了良好的基礎,它們之間是一個層層遞進的關係,在之前底物的結構基礎上,這次的成果更清楚的揭示了這些調節劑和抑製劑是怎樣抑製底物進入的,為之前臨床藥物的失敗提供瞭解釋,是領域內一項重要的基礎研究成果。”周瑞介紹道,團隊未來將進一步在γ-分泌酶活性調節、澱粉樣沉澱、Tau蛋白等領域就阿爾茲海默症研究進行進一步的攻關。

據瞭解,施一公為該研究論文的通訊作者,楊光輝與周瑞、清華大學生命學院三年級博士生郭雪飛為論文的共同第一作者。

(原標題:重磅!施一公團隊再解阿爾茲海默重要蛋白結構)

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