张岱/周瑞/施一公等团队合作取得新进展

2023

10/01

转化医学网

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阿尔茨海默病(AD)的一个标志是老年斑（senile plaque），它含有β-amyloid肽(Aβ)。神经节苷脂GM1是最常见的脑神经节苷脂。然而，GM1调控Aβ加工的机制尚不清楚。

2023年9月27日，北京大学张岱、清华大学周瑞及清华大学/西湖大学施一公等合作在Advanced Science 在线发表题为“Preferential Regulation of γ-Secretase-Mediated Cleavage of APP by Ganglioside GM1 Reveals a Potential Therapeutic Target for Alzheimer’s Disease”的研究论文，该研究揭示了GM1在Aβ生成中的机制，并提供了降低GM1水平代表AD治疗的潜在策略的证据。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202303411

研究背景

阿尔茨海默病(AD)是一种进行性神经退行性疾病，其特征是细胞外老年斑和与年龄相关的认知功能障碍。目前还没有有效的临床治疗方法可以治愈AD或减缓其进展。老年斑主要由β-淀粉样蛋白(Aβ)肽组成，β-和γ-分泌酶依次裂解淀粉样蛋白前体蛋白(APP)。因此，减少a β的产生是治疗AD的一种潜在策略。然而，这种治疗方法的有效性和安全性以及潜在的机制几乎不为人所知。

γ-分泌酶切割是Aβ产生的最后一步，在AD研究中备受关注。γ-分泌酶是一种天冬氨酸蛋白酶，由四种不同的成员组成，包括早老素1（PS1）、Aph-1，早老素增强子2（PEN-2）和nicastrin。其中，PS1是γ分泌酶的催化亚基。通过γ分泌酶切割蛋白质，包括APP、Notch和N-钙粘蛋白，对其生理功能至关重要。用于抑制γ分泌酶活性的药物也可能同时抑制广泛底物的切割，导致多种副作用。因此，在不影响其他底物的情况下降低Aβ水平是一种有吸引力的治疗策略，而不是完全抑制γ分泌酶切割。

研究过程及发现

研究人员发现转基因暴露会导致Aβ含量增加和认知行为受损。Aβ水平升高可能与GM与PS-NTF相互作用有关。随后，研究人员证明了D-PDMP/CTB对AD的治疗效果可能代表了一种新的干预策略，可以在没有副作用的情况下降低a β水平。目前研究的数据表明，APP加工与GM之间存在迄今未披露的联系:GM促进a β的产生和斑块沉积，并加重认知障碍。此外，研究结果首次表明，脂质分子，如GM，可以诱导γ-分泌酶的构象变化。然而，D-PDMP/CTB下调GM通过抑制γ-分泌酶活性完全逆转了这些不利影响。因此，调节GM水平可能是在AD治疗中调节γ-分泌酶活性的新策略。

转基因能轻易穿过血脑屏障，容易进入大脑调节生理和病理过程。啮齿类动物模型研究报告，腹腔注射GM增加了GM在脂筏中的分布。此外，小鼠腹腔注射GM显示，约0% - 0%的总注射量稳定到达中枢神经系统。已经证明转基因在AD的病理生理中起负向作用。对AD转基因小鼠模型的研究结果显示，转基因蛋白在海马和皮层淀粉样斑块中有脑区特异性沉积。衰老和apoE的表达通过增加和调节GM在神经元膜上的分布加速了Aβ的聚集。这些发现表明，较高浓度的转基因可能与AD有关。

此外，外周注射GM1会损害APP/PS1小鼠的认知能力。最公认的机制是GM1结合并促进Aβ聚集;因此，GM1可能是a β沉积的种子。除上述发现外，研究人员还发现了一种增加a β形成的新机制;即GM1重塑了PS1分子的构象，从而提高了γ-分泌酶裂解APP的效率(C99)。

先前研究表明，用D-PDMP降低GM1水平或用CTB阻断GM1位点可减少体外Aβ聚集。本研究提供了D-PDMP降低体内GM1水平和Aβ生成的证据。重要的是，从粗到精的策略被嵌入到特异性抑制GM1功能的方法中。研究人员证明了通过CTB阻断GM1可以抑制γ-分泌酶活性和Aβ的产生，但目前关于CTB的最佳方法尚无共识。无论如何，阻断GM1与PS1相互作用的生物学效应是治疗AD的新策略。

本文报告了GM1与人γ-分泌酶结合的冷冻电镜结构，显示了在加入GM1后引起的PS1构象重排。GM1结合位点的鉴定可能揭示了GM1识别的结构基础。值得注意的是，推测的GM1结合位点位于远离TM6上的催化残基Asp257和TM7上的催化残基Asp385。然而，通过变构，GM1结合诱导形成一个反平行的β-片层，直接稳定底物结合，从而加速底物裂解。尽管如此，研究人员的结构数据提供了GM1对Aβ生成的调控基础。