2024 年 2 月 12 日，堪薩斯大學 Michael S. Wolfe 及清華大學 / 西湖大學施一公等多團隊合作在Cell Reports 在線發表題爲 "Familial Alzheimer mutations stabilize synaptotoxic γ -secretase-substrate complexes" 的研究論文，該研究發現 FAD 突變破壞了 γ - 分泌酶在 APP 底物 C99 多步驟加工中的初始蛋白水解事件。冷凍電子顯微鏡顯示，在過渡狀态下，底物模拟物捕獲了 γ - 分泌酶，這種結構與分子動力學模拟捕獲的活化酶 - 底物複合物一緻。
在矽模拟和在纖維素熒光顯微鏡支持穩定酶 - 底物複合物的 FAD 突變。秀麗隐杆線蟲中 C99 和 / 或早老素 -1 的神經元表達僅在 FAD 突變的轉基因中導緻突觸丢失。設計的穩定酶 - 底物複合物和阻斷 A β 産生的突變同樣導緻突觸喪失。總的來說，這些發現暗示了在 FAD 發病機制中，γ - 分泌酶裂解底物的停滞過程，而不是産物。
澱粉樣蛋白前體蛋白 ( APP ) 與家族性阿爾茨海默病 ( FAD ) 相關的顯性錯義突變的發現，導緻 1991 年阿爾茨海默病發病機制的澱粉樣蛋白假說的最初形成，該假說假設分泌的澱粉樣 β ( A β ) 肽聚集，特别是 A β 42，導緻一系列事件，最終導緻神經變性和癡呆。随後的研究發現，早老素是 FAD 突變的位點，改變了 A β 的産生，對 APP 的 γ - 分泌酶加工成 A β 至關重要，并且包含 γ - 分泌酶複合物的催化成分，爲澱粉樣蛋白假說提供了強有力的支持。
然而，神經毒性 A β 的組裝狀态和相關信号通路仍不清楚，針對 A β 或其聚集體的臨床候選藥物在預防或治療阿爾茨海默病方面顯示出很少或沒有益處，盡管最近批準了抗 A β 單克隆抗體，但仍引起了對 A β 作爲疾病過程主要驅動因素的懷疑。
γ - 分泌酶對 APP 底物的蛋白水解過程示意圖（圖源自 Cell Reports ）
FAD 的病理、表現和進展與更常見的散發性晚發性阿爾茨海默病非常相似，FAD 主要遺傳的單基因性質表明，闡明緻病機制應該更容易。由于顯性錯義 FAD 突變僅在底物和産生 A β 的酶中發現，這些突變都可能導緻 γ - 分泌酶對 APP 底物的蛋白水解過程發生改變。然而，這一過程是複雜的，APP 跨膜結構域 ( TMD ) 被膜内嵌入的 γ - 分泌酶複合體多次切割，沿着 A β 49 → A β 46 → A β 43 → A β 40 和 A β 48 → A β 45 → A β 42 → A β 38 兩條途徑産生 A β 肽。研究人員對 APP TMD 中 14 個 FAD 突變，對這些蛋白水解事件的影響的綜合分析，發現每個突變在第一或第二羧基肽酶修剪步驟中都存在缺陷，升高了 A β 45 或更長時間的 A β 肽水平。這種完整和定量的分析尚未報道任何早老素 FAD 突變。
文章模式圖（圖源自 Cell Reports ）
該研究擴展了對 γ - 分泌酶對 C99 的每個蛋白水解加工步驟的分析，以闡明 FAD 突變對早老素 -1 ( PSEN1 ) 的影響，揭示了在初始加工步驟中一緻的缺陷，而不是在産生 A β 分泌形式 ( 如 A β 42 ) 的後期步驟。活性 γ - 分泌酶複合物的原子分辨率結構與全跨膜底物模拟物非共價結合，提供了酶處于或接近過渡狀态的快照，就像它準備進行膜内蛋白質水解時一樣。這種新結構反過來驗證了捕獲活化酶 - 底物 ( E-S ) 複合物的分子動力學模型系統。
矽模型表明 FAD 突變 E-S 複合物的構象柔韌性較差，表明複合物穩定，這在完整細胞的熒光壽命成像顯微鏡 ( FLIM ) 中得到了支持。一個用于測試神經退行性變機制的秀麗隐杆線蟲 FAD 模型系統表明，僅E-S 複合物的穩定，而不産生 A β - 肽産物，足以導緻年齡依賴性突觸喪失和壽命縮短。
參考消息：
https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247 ( 24 ) 00089-5#%20
