引起家族性阿尔茨海默病(FAD)的突变存在于淀粉样蛋白前体蛋白(APP)和早老素(presenilin，γ-分泌酶的催化成分)中，它们共同产生淀粉样蛋白β肽(Aβ)。然而，Aβ是否是主要的疾病驱动因素仍然存在争议。
2024年2月12日，堪萨斯大学Michael S. Wolfe及清华大学/西湖大学施一公等多团队合作在Cell Reports 在线发表题为“Familial Alzheimer mutations stabilize synaptotoxic γ-secretase-substrate complexes”的研究论文，该研究发现FAD突变破坏了γ-分泌酶在APP底物C99多步骤加工中的初始蛋白水解事件。冷冻电子显微镜显示，在过渡状态下，底物模拟物捕获了γ-分泌酶，这种结构与分子动力学模拟捕获的活化酶-底物复合物一致。
在硅模拟和在纤维素荧光显微镜支持稳定酶-底物复合物的FAD突变。秀丽隐杆线虫中C99和/或早老素-1的神经元表达仅在FAD突变的转基因中导致突触丢失。设计的稳定酶-底物复合物和阻断Aβ产生的突变同样导致突触丧失。总的来说，这些发现暗示了在FAD发病机制中，γ-分泌酶裂解底物的停滞过程，而不是产物。
淀粉样蛋白前体蛋白(APP)与家族性阿尔茨海默病(FAD)相关的显性错义突变的发现，导致1991年阿尔茨海默病发病机制的淀粉样蛋白假说的最初形成，该假说假设分泌的淀粉样β (Aβ)肽聚集，特别是Aβ42，导致一系列事件，最终导致神经变性和痴呆。随后的研究发现，早老素是FAD突变的位点，改变了Aβ的产生，对APP的γ-分泌酶加工成Aβ至关重要，并且包含γ-分泌酶复合物的催化成分，为淀粉样蛋白假说提供了强有力的支持。
然而，神经毒性Aβ的组装状态和相关信号通路仍不清楚，针对Aβ或其聚集体的临床候选药物在预防或治疗阿尔茨海默病方面显示出很少或没有益处，尽管最近批准了抗Aβ单克隆抗体，但仍引起了对Aβ作为疾病过程主要驱动因素的怀疑。
γ-分泌酶对APP底物的蛋白水解过程示意图（图源自Cell Reports ）
FAD的病理、表现和进展与更常见的散发性晚发性阿尔茨海默病非常相似，FAD主要遗传的单基因性质表明，阐明致病机制应该更容易。由于显性错义FAD突变仅在底物和产生Aβ的酶中发现，这些突变都可能导致γ-分泌酶对APP底物的蛋白水解过程发生改变。然而，这一过程是复杂的，APP跨膜结构域(TMD)被膜内嵌入的γ-分泌酶复合体多次切割，沿着Aβ49→Aβ46→Aβ43→Aβ40和Aβ48→Aβ45→Aβ42→Aβ38两条途径产生Aβ肽。研究人员对APP TMD中14个FAD突变，对这些蛋白水解事件的影响的综合分析，发现每个突变在第一或第二羧基肽酶修剪步骤中都存在缺陷，升高了Aβ45或更长时间的Aβ肽水平。这种完整和定量的分析尚未报道任何早老素FAD突变。
文章模式图（图源自Cell Reports ）
该研究扩展了对γ-分泌酶对C99的每个蛋白水解加工步骤的分析，以阐明FAD突变对早老素-1 (PSEN1)的影响，揭示了在初始加工步骤中一致的缺陷，而不是在产生Aβ分泌形式(如Aβ42)的后期步骤。活性γ-分泌酶复合物的原子分辨率结构与全跨膜底物模拟物非共价结合，提供了酶处于或接近过渡状态的快照，就像它准备进行膜内蛋白质水解时一样。这种新结构反过来验证了捕获活化酶-底物(E-S)复合物的分子动力学模型系统。
硅模型表明FAD突变E-S复合物的构象柔韧性较差，表明复合物稳定，这在完整细胞的荧光寿命成像显微镜(FLIM)中得到了支持。一个用于测试神经退行性变机制的秀丽隐杆线虫FAD模型系统表明，仅E-S复合物的稳定，而不产生Aβ-肽产物，足以导致年龄依赖性突触丧失和寿命缩短。
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