北京时间2020年12月29日凌晨0时，《细胞》（Cell）发表中科院院士、西湖大学校长施一公课题组的一项新研究。
研究首次报道了γ-分泌酶（γ-secretase）结合三种小分子抑制剂（Gamma-Secretase Inhibitor, GSI）和一种调节剂（Gamma-Secretase Modulator, GSM）的4个原子分辨率冷冻电镜结构，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。
该研究首次完整展现了γ-分泌酶结合底物与药物的全过程，为了解γ-分泌酶活性调节机制提供了前所未有的精准蓝图，也将极大地推进下一代γ-分泌酶抑制剂及调节剂的设计与优化。
该论文第一作者、原清华大学结构生物学高精尖中心卓越学者、现任中国农业大学教授杨光辉向《中国科学报》介绍，这项工作将为研究阿尔兹海默症以及癌症相关具有底物选择性的γ-分泌酶抑制剂提供重要的结构信息。
阿尔兹海默症（Alzheimer’s disease）是当今世界范围内患病最广泛、病情最严重的神经退行性疾病，目前为止尚无任何特效药物。
“γ分泌酶是个蛋白酶，它的功能是去切割或水解其它蛋白质，淀粉样蛋白就是它的水解对象之一，这类蛋白的斑块沉积与阿尔兹海默症的发病关系非常密切。”杨光辉告诉《中国科学报》。一直以来，科学家都在围绕阿尔兹海默症病人特异性标志物“淀粉样斑块沉积”形成这一原理来开发疾病治疗策略，许多针对阿尔兹海默症的药物研发也直接以γ-分泌酶作为靶点，以期通过调节其活性来治疗疾病。
回顾历史，以γ-分泌酶作为靶点药物也曾进入临床II期或III期试验，但均以失败结束。其中，首个进入临床III期试验的γ-分泌酶抑制剂小分子药物Semagacestat的试验结果显示，药物使用并未延缓疾病发展，据论文共同第一作者、清华大学生命学院助理研究员周瑞介绍，“Semagacestat不但导致了患者认知能力和日常活动能力减弱，还提高了病人患皮肤癌的风险。”究其原因，极有可能是由于这种抑制剂在抑制APP的切割同时，还抑制了γ-分泌酶的另一重要底物Notch的切割。
为从失败中寻找答案，在最新的这项工作中，研究人员首先解析了γ-分泌酶与其抑制剂Semagacestat的3.0 埃分辨率结构，发现Semagacestat形成的“位阻”是其发挥抑制作用、产生副作用的机制。
接下来，研究人员解析了γ-分泌酶结合另一种抑制剂Avagacestat的3.1 埃的结构。Avagacestat由百时美施贵宝（BMS）研发，目前已进入临床II期试验阶段。
“结果出乎意料，Avagacestat结合在与Semagacestat几乎一致的位置，也存在‘位阻’，但其相互作用呈现更为‘松散’的状态。”杨光辉告诉《中国科学报》，“这提示我们Avagacestat的底物选择性或许和这些相互作用形式的不同有关。”同时，为更全面的阐述所有类型抑制剂的作用机理，研究人员还进一步解析了γ-分泌酶结合过渡状态类似物（TSA）抑制剂L685,458的结构。
该研究揭示了三种不同的γ-分泌酶抑制剂的作用机理，分析了其共同点，更重要的是揭示了三者之间的区别，为未来优化和设计具有底物特异性的抑制剂奠定了坚实基础。
γ-分泌酶结合三种小分子抑制剂（Semagacestat、Avagacestat和L685,458）和一种调节剂（E2012）的原子分辨率冷冻电镜结构。（课题组供图）
此外，研究人员还围绕γ-分泌酶活性调节剂（GSMs）的机理，解析了相关冷冻电镜结构，分辨率高达2.6 埃，对更加完整地理解γ-分泌酶活性调节提供了结构信息。
施一公实验室一直致力于揭示阿尔兹海默症发病机理，γ-分泌酶三维结构及其工作机理的解析是一个重要方向，多年来在《自然》（Nature）、《科学》（Science）、《细胞》（Cell）等期刊上发表了多项以这一蛋白酶为核心的研究成果。
“实验室前期所进行的人源γ-分泌酶以及γ-分泌酶结合重要底物冷冻电镜结构研究为今天发表有关γ-分泌酶的药物调节结构打下了良好的基础，它们之间是一个层层递进的关系，在之前底物的结构基础上，这次的成果更清楚的揭示了这些调节剂和抑制剂是怎样抑制底物进入的，为之前临床药物的失败提供了解释，是领域内一项重要的基础研究成果。”周瑞介绍道，团队未来将进一步在γ-分泌酶活性调节、淀粉样沉淀、Tau蛋白等领域就阿尔兹海默症研究进行进一步的攻关。
据了解，施一公为该研究论文的通讯作者，杨光辉与周瑞、清华大学生命学院三年级博士生郭雪飞为论文的共同第一作者。
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