引起家族性阿爾茨海默病(FAD)的突變存在于澱粉樣蛋白前體蛋白(APP)和早老素(presenilin，γ-分泌酶的催化成分)中，它們共同産生澱粉樣蛋白β肽(Aβ)。然而，Aβ是否是主要的疾病驅動因素仍然存在争議。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 線上發表題為“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援穩定酶-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Aβ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 (Aβ)肽聚集，特别是Aβ42，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Aβ的産生，對APP的γ-分泌酶加工成Aβ至關重要，并且包含γ-分泌酶複合物的催化成分，為澱粉樣蛋白假說提供了強有力的支援。
然而，神經毒性Aβ的組裝狀态和相關信号通路仍不清楚，針對Aβ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，盡管最近準許了抗Aβ單克隆抗體，但仍引起了對Aβ作為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Aβ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Aβ49→Aβ46→Aβ43→Aβ40和Aβ48→Aβ45→Aβ42→Aβ38兩條途徑産生Aβ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Aβ45或更長時間的Aβ肽水準。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 ）
該研究擴充了對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Aβ分泌形式(如Aβ42)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)中得到了支援。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Aβ-肽産物，足以導緻年齡依賴性突觸喪失和壽命縮短。
來源：iNature