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阿尔兹海默症新突破:施一公团队再解重要蛋白结构

时间:2020-12-29 来源: 浏览量:1855

2020 年 12 月 28 日,中科院院士、西湖大学校长施一公教授团队在 Cell 上在线发表了题为 Structural basis of γ-secretase inhibition and modulation by small molecule drugs《 小分子药物抑制和调节γ-分泌酶的结构基础》的研究成果。据悉, 施一公教授为该论文通讯作者,中国农业大学杨光辉与清华大学生命学院助理研究员周瑞、博士生郭雪飞为论文的共同第一作者。
研究首次报道了 γ- 分泌酶(γ-secretase)结合两种小分子抑制剂(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。

阿尔兹海默症新突破施一公团队再解重要蛋白结构

据该论文第一作者中国农业大学教授杨光辉接受《中国科学报》采访时介绍,这项工作将为研究阿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。

Development of γ-secretase inhibitors (GSIs) and modulators (GSMs) represents an attractive therapeutic opportunity for Alzheimer’s disease (AD) and cancers. However, how these GSIs and GSMs target γ-secretase has remained largely unknown. Here, we report the cryoelectron microscopy (cryo-EM) structures of human γ-secretase bound individually to two GSI clinical candidates, Semagacestat and Avagacestat, a transition state analog GSI L685,458, and a classic GSM E2012, at overall resolutions of 2.6–3.1 Å. Remarkably, each of the GSIs occupies the same general location on presenilin 1 (PS1) that accommodates the β strand from amyloid precursor protein or Notch, interfering with substrate recruitment. L685,458 directly coordinates the two catalytic aspartate residues of PS1. E2012 binds to an allosteric site of γ-secretase on the extracellular side, potentially explaining its modulating activity. Structural analysis reveals a set of shared themes and variations for inhibitor and modulator recognition that will guide development of the next-generation substrate-selective inhibitors.

γ- 分泌酶抑制剂 (GSIs) 和调节剂 (GSMs) 的发展代表了一个有吸引力的治疗阿茨海默症 (AD) 和癌症的机会。然而,这些 GSIs 和 GSMs 如何靶向 γ- 分泌酶仍然很大程度上未知。

在这项研究中,研究人员报道了人类 γ- 分泌酶的低温电子显微镜 (cryoelectron microscopy, cryo-EM) 结构,分别在一种模拟 GSI 的过渡状态 (transition state analog,TSA)  L685,458、与两种 GSI 临床候选药物 Semagacestat 和 Avagacestat(非 TSA)、和一种经典的调节剂 E2012 相结合的状态,四种条件下的冷冻电镜结构,整体分辨率为 2.6-3.1 Å。

阿尔兹海默症新突破施一公团队再解重要蛋白结构

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。

图片来源:Cell

文章特别提示,每个 γ- 分泌酶抑制剂通常在 presenilin 1 (PS1) 上占据相同的位置,调节淀粉样前体蛋白的 β 链或 Notch,干扰底物招募。L685,458 直接协调配合 PS1 的两个催化天冬氨酸残基。E2012 结合到细胞外侧 γ- 分泌酶的变构位点,这可能解释其调节活性。

Semagacestat 导致的患者认知能力和日常活动能力减弱,以及引发病人患皮肤癌的风险提高的原因,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。

施一公实验室一直致力于揭示阿兹海默症发病机理,解析 γ- 分泌酶三维结构及其作用机制,探索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一定的解释。


论文链接 https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(20)31621-4