引起家族性(FAD)的突變存在於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，它們共同產生澱粉樣蛋白β肽(Aβ)。然而，Aβ是否是主要的疾病驅動因素仍然存在爭議。
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，在過渡狀態下，底物模擬物捕獲了γ-分泌酶，這種結構與分子動力學模擬捕獲的活化酶-底物複合物一致。
在矽模擬和在纖維素熒光顯微鏡支援穩定酶-底物複合物的FAD突變。秀麗隱杆線蟲中C99和/或早老素-1的神經元表達僅在FAD突變的中導致突觸丟失。設計的穩定酶-底物複合物和阻斷Aβ產生的突變同樣導致突觸喪失。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滯過程，而不是產物。
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，導致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，特別是Aβ42，導致一系列事件，最終導致神經變性和痴呆。隨後的研究發現，早老素是FAD突變的位點，改變了Aβ的產生，對APP的γ-分泌酶加工成Aβ至關重要，並且包含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的組裝狀態和相關訊號通路仍不清楚，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，儘管最近批准了抗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，闡明致病機制應該更容易。由於顯性錯義FAD突變僅在底物和產生Aβ的酶中發現，這些突變都可能導致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)被膜內嵌入的γ-分泌酶複合體多次切割，沿著Aβ49→Aβ46→Aβ43→Aβ40和Aβ48→Aβ45→Aβ42→Aβ38兩條途徑產生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肽水平。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）
該研究擴充套件了對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致的缺陷，而不是在產生Aβ分泌形式(如Aβ42)的後期步驟。活性γ-分泌酶複合物的原子解析度結構與全跨膜底物模擬物非共價結合，提供了酶處於或接近過渡狀態的快照，就像它準備進行膜內蛋白質水解時一樣。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。一個用於測試神經退行性變機制的秀麗隱杆線蟲FAD模型系統表明，僅E-S複合物的穩定，而不產生Aβ-肽產物，足以導致年齡依賴性突觸喪失和壽命縮短。
參考訊息：
https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(24)00089-5#%20
