Science：施一公团队解析人γ-分泌酶识别和连续切割淀粉样蛋白的分子机制
原创 生物世界
撰文丨王聪
编辑丨王多鱼
排版丨水成文
阿尔茨海默病（AD）的标志性特征是淀粉样斑块沉积，主要由γ-分泌酶从99个氨基酸残基的淀粉样前体蛋白C末端片段（APP-C99）切割产生的β-淀粉样蛋白（Aβ）肽组成。
淀粉样前体蛋白（APP）首先通过α-分泌酶或β-分泌酶的初步切割产生含有83个或99个氨基酸残基的跨膜片段（APP-C83或APP-C99）。APP-C99通过γ-分泌酶的一种内肽酶活性（ε-切割）被切割，生成Aβ48或Aβ49，然后通过γ-分泌酶的另一种羧肽酶活性（ζ-切割和γ-切割）被切割，Aβ49的切割会导致Aβ46、Aβ43和Aβ40的依次生成；同样，Aβ48会生成Aβ45、Aβ42和Aβ38。较长的Aβ肽（≥Aβ42）被认为在毒性Aβ聚集的启动中发挥关键作用。
γ-分泌酶对APP-C99连续切割并产生了不同长度的β-淀粉样蛋白（Aβ）肽，值得注意的是，通常每次切割3个氨基酸残基，然而，这种连续切割以及每次切割3个氨基酸残基的具体机制目前仍不清楚。
2024年6月6日，西湖大学施一公院士、清华大学生命科学学院周瑞等人在 Science 期刊发表了题为：Molecular mechanism of substrate recognition and cleavage by human γ-secretase 的研究论文。
该研究确定了人γ-分泌酶分别与APP-C99、Aβ49、Aβ46和Aβ43结合的原子分辨率的冷冻电镜（cryo-EM）结构，描述了人类γ-分泌酶在淀粉样前体蛋白（APP）切割过程中如何与不同的Aβ肽底物相互作用，阐明了γ-分泌酶如何产生不同长度的Aβ肽，这些发现将加深我们对淀粉样蛋白生物学的理解，并有助于开发治疗阿尔茨海默病的策略。
成熟的γ-分泌酶由四个亚基组成，分别是前体蛋白酶（PS）、前体蛋白酶增强因子2（PEN-2）、前咽缺陷蛋白1（APH-1）和Nicastrin蛋白（NCT）。其中催化亚基是PS，而PS1是其主要的异构体。人γ-分泌酶与APP-C83结合的冷冻电镜（cryo-EM）结构揭示了底物和PS1之间的杂交β-折叠，底物β链引导切割位点，与APP-C83相比，由γ-分泌酶切割的APP-C99效率较低。APP-C99的N端多出的16个氨基酸可能调节γ-分泌酶-底物复合物的形成。
尽管已经在γ-分泌酶结构上取得了进展，但控制其连续切割的底层机制仍不清楚，特别是不清楚为什么切割过程中主要每次切割三个氨基酸残基。
在这项最新研究中，研究团队报告了人γ-分泌酶分别与其底物APP-C99、Aβ49、Aβ46和Aβ43结合的原子分辨率水平的冷冻电镜（cryo-EM）结构，这些结构分析揭示了其底物识别和切割的机制。该研究发现，在所有情况下，底物都具有相同的结构特征：一个跨膜α螺旋、一个由γ-分泌酶切割的三氨基酸残基连接肽和与PS1蛋白形成的杂合β折叠链。蛋白酶水解切割发生在底物β折叠链的前方。每个切割步骤之后，底物α螺旋会发生一次解旋和转位，并形成一个新的β折叠链。这种机制与现有的生化数据一致，可能可以解释γ-分泌酶切割其他底物的过程。
人γ-分泌酶识别APP-C99的结构基础
人γ-分泌酶对Aβ49的特异性识别
人γ-分泌酶对Aβ46和Aβ43的识别
人γ-分泌酶裂解底物的机制
大脑神经元中β-淀粉样蛋白（Aβ）聚集是阿尔茨海默病（AD）等神经退行性病变的主要标志和原因之一。Aβ是由γ-分泌酶对淀粉样前体蛋白（APP）进行连续切割产生的，然而，这些多次切割的具体过程尚未完全阐明。
这项研究使用冷冻电镜（cryo-EM）技术观察和描述了人类γ-分泌酶在APP切割过程中如何与不同的Aβ肽底物相互作用。阐明γ-分泌酶如何产生不同长度的Aβ肽，将加深我们对淀粉样蛋白生物学的理解，并有助于开发治疗阿尔茨海默病的策略。
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn5820