BACE1

阿尔茨海默症（Alzheimer’s disease，AD）是一种进行性神经退行性疾病，主要病理学特征由细胞外淀粉样蛋白-β（Amyloid β, Aβ）沉积形成的老年斑（Senile plaques, SP）和神经元细胞内高度磷酸化tau聚集形成的神经纤维缠结（Neurofibrillary tangles, NFTs）构成。这两种病理蛋白在脑内的异常积累与突触功能障碍、神经元死亡和AD认知缺陷密切相关。因此靶向上述蛋白及其病理机制开发疾病修饰（disease-modifying）治疗药物一直是AD领域的研究热点。 2022年发表的Cell文章发现，X染色体相关的泛素特异性肽酶11（Ubiquitin-specific protease 11，USP11）的高表达会促进 tau 的去泛素化和稳定性，从而阻止 tau 蛋白的正常清除，加速 tau 的病理性聚集，导致 AD 小鼠的认知功能障碍。USP11基因敲除后，能够显著改善AD小鼠的tau病变和认知功能的受损。因此抑制USP11介导的tau去泛素化进而改善AD病理有望为AD治疗提供全新的策略。目前已知的 USP11 小分子抑制剂主要是米托蒽醌，主要用于治疗急性髓系白血病等多种恶性肿瘤。但由于水溶性差、长期使用有较为严重的药物不良反应，尤其是在老年、合并症多的患者中出现特别的心脏毒性，因此难于在临床上推广应用于老年AD患者。为此，安全有效的新型小分子USP11抑制剂的研发仍然亟待解决。 历经四年，贵州医科大学谭俊教授团队与大连医科大学附属第一医院李崧研究员合作通过大量的筛选优化得到了全新结构的小分子USP11选择性抑制剂IsoLiPro（尼布林），并利用多种转基因AD动物模型反复进行实验，在国际上首次明确了其临床前抗AD的作用。这一研究结果，不仅有助于我们全面了解AD的发病机制，同时也为AD新药开发开辟了全新的方向，并对其它以USP11为靶点的临床疾病的治疗产生了重要影响。 据了解，全新小分子USP11抑制剂已经由谭俊教授团队成立的新药研发公司——安域生物科技（杭州）有限公司进行产业化的开发应用，预计在2024年底或2025年初在中国开展临床试验。 2024年10月，贵州医科大学/浙大城市学院谭俊教授团队和大连医科大学附属第一医院李崧研究员合作在EMBO Molecular Medicine杂志在线发表了题为“Targeting USP11 regulation improvesneuropathologies and cognition in Alzheimer transgenic mice”的研究文章。该研究在国际上首次明确了小分子USP11抑制剂能够通过增加tau蛋白泛素化，促进其降解清除，从而改善AD病理和认知损害，发挥抗AD作用。这一研究发现为开发新的AD治疗策略提供了全新的靶标。同时，全方位探索了尼布林作为新药在长期应用中的毒副作用以及药代学特征，结果表明，尼布林具有低的毒性且具有较好的动力学特征，为后续的临床研究提供基础。（拓展阅读：谭俊课题组往期进展，详见“逻辑神经科学”报道（点击阅读）：CMLS︱贵州医科大学谭俊团队合作揭示淀粉样前体蛋白N端通过调控胞外tau蛋白跨膜转运加剧阿尔茨海默病tau病理的机制；Transl Psychiatry︱浙江大学谭俊团队合作发现淀粉样前体蛋白促进SARS-CoV-2入侵并加剧阿尔茨海默病风险） 1、尼布林的合成与表征 图1  Synthesis and characterization of IsoLiPro. 将等摩尔量的异丁酸锂（LiIB）和L-脯氨酸（Pro）在正丁醇中加热回流，搅拌约3 h后自然冷却结晶，收集产生的晶体并对其进行了结构解析和性质表征（图1）。XRPD、1H-NMR、FT-IR等多种分析技术均证明，尼布林是一种结构稳定的配位化合物。 2、IsoLiPro 在体外和体内均可显著降低 USP11 蛋白水平 为了进一步探索尼布林对USP11的抑制效果，课题组在SH-SY5Y细胞和HEK293细胞中筛选多种小分子药物和尼布林对细胞中USP11的抑制作用，结果表明尼布林对USP11 的抑制效果最明显，且能够时间和剂量依赖性降低SH-SY5Y细胞的USP11表达水平，同时这一抑制作用具有USP11选择性。在体内研究中，9.5月龄的3xTg-AD小鼠灌胃给药尼布林4月后，尼布林对USP11蛋白水平也有相同的抑制作用，其海马和皮层区域的USP11表达水平均显著降低（图2）。 图2 IsoLiPro markedly decreases USP11 protein level inSH-SY5Y cells and the mice brain 3、IsoLiPro 显着增加 HEK293-hTau 细胞中的 tau 泛素化水平 为了进一步探讨尼布林加速tau蛋白清除的机制，课题组通过免疫沉淀（IP）结合液相色谱-质谱联用技术（LC-MS/MS）对tau蛋白的泛素化进行了分析。实验结果表明，尼布林处理HEK293-hTau细胞后，tau蛋白的K48泛素化水平显著升高（图3）。这一结果进一步提示，尼布林能够通过降低USP11表达，抑制tau蛋白的去泛素化，从而增加其降解清除，最终降低总tau和磷酸化tau水平。 图3 IsoLiPro alters tau ubiquitination levels inHEK293-hTau cells. 4、尼布林显著缓解AD 转基因小鼠模型大脑中的病理变化，并改善认知功能障碍 在上述细胞水平实验的基础上，课题组进一步利用3xTg-AD和5xFAD两种转基因AD动物模型，评估了尼布林对tau病理的影响。研究人员发现，9.5月龄的3xTg-AD小鼠和10周龄的5xFAD小鼠口服尼布林后，大脑中的总tau蛋白和磷酸化tau蛋白（p-tau181, p-tau202/205和p-tau396）显著降低。同时，尼布林还能显著降低 5xFAD 小鼠脑组织海马区的Iba1和 GFAP 水平，表明尼布林能够改善胶质细胞激活和神经炎症反应。意外的是，尼布林给药后不仅显著改善 tau 病理和神经炎症，还能显著降低脑内Aβ水平和斑块沉积，这一结果可能与尼布林通过抑制USP11表达，参与BACE1泛素化和降解以及 Li 对 GSK-3β 激酶的活性降低有关。 除了tau病理、神经炎症和Aβ 病理斑块外，课题组的研究结果还发现尼布林长期给药后能够增加突触标志物SYN-1和PSD95蛋白的表达，并显著提高神经元树突棘密度和数量，表明尼布林能够显著改善AD模型动物的神经突触可塑性（图4）。Morris水迷宫和Y迷宫实验结果表明，与对照组相比，经过尼布林治疗的实验动物展示出更好的行为表现。 此外，除了验证了尼布林对缓解AD病变作用及机制进行研究外，还对其毒性以及药代等试验结果进行了评估。结果表明，尼布林在长期给药过程中未发现明显的毒性反应。与碳酸锂相比，到达大脑中的锂浓度更高，具有较好的药代学特征，。这些均为尼布林的临床研究提供更进一步的基础。 图4 IsoLiPro ameliorates synaptic plasticity deficits andspatial memory impairment 图5 尼布林抗AD作用机制示意图 文章结论与讨论，启发与展望 本研究首次在体内和体外模型中证实了尼布林能够有效降低USP11蛋白水平。机制研究表明，这一作用主要通过调节USP11的蛋白质降解途径实现，而非直接影响其酶活性。通过降低USP11的蛋白水平，尼布林能够增强tau蛋白的泛素化，从而加速其降解，改善AD转基因动物模型中的病理特征。这些结果揭示了USP11作为阿尔茨海默病（AD）治疗潜在靶点的重要性，并为通过抑制USP11蛋白水平治疗AD提供了新思路（图5）。 然而，本研究也存在一些值得进一步探索的问题。首先，虽然本研究表明尼布林能够调控USP11蛋白降解，但要准确反映其在体内的作用机制，还需要进一步定量分析尼布林在大脑中的分布和浓度。通过明确其剂量-反应关系，可以更加精准地评估尼布林的有效剂量范围，优化治疗方案。此外，未来的研究应进一步聚焦尼布林与USP11在体内尤其是大脑中的直接相互作用，以揭示更为精准的分子机制。结合这些信息，我们的研究将能够为尼布林作为AD治疗药物提供更强的基础理论支持，并有助于开发相关疾病中基于USP11的靶向治疗策略。 原文链接：https://www-embopress-org.libproxy1.nus.edu.sg/doi/full/10.1038/s44321-024-00146-7 本文共同通讯作者：谭俊博士，贵州医科大学特聘教授；李崧博士，大连医科大学附属第一医院神经疾病研究所研究员。本文第一作者为贵州医科大学郭义博士。 来源：逻辑神经科学 作者：郭义 李崧 编辑：李菡逸 一审：李牧 二审：钱禾 三审：陈颖  往期回顾 RECENTLY RELEASED 贵州医科大学2025年硕士研究生招生章程及专业目录 贵州医科大学2025届毕业生冬季校园招聘会邀请函 探索校园 | 从临床医学院“协和楼”，探寻中式建筑之美 贵州医科大学版权所有 期待投稿合作 邮箱：gmctougao@163.com

▎药明康德内容团队编辑   治疗性蛋白质的递送有望治疗多种疾病。目前已有多种蛋白质疗法应用于临床，但它们多数局限于单克隆抗体、肽类激素和细胞因子，往往通过与细胞质膜上的受体结合来发挥作用，其递送有效性与安全性也存在不足。 同时，更多疾病是由细胞内特定蛋白的缺乏或功能障碍引起的，这些疾病的治疗需要实现治疗性蛋白质的细胞内递送，但这一点目前仍然面临着重重障碍。 Dong-Gyu Jo是成均馆大学药学院教授，他向我们介绍了当前蛋白质递送面临的3项重要挑战：“首先是免疫系统对注射蛋白质的反应，这可能导致免疫原性效应，不仅降低治疗效果，还会产生副作用；另一个重要挑战是确保有效递送跨越生物屏障，尤其是在治疗阿尔茨海默病等神经退行性疾病时，需要跨越血脑屏障；此外，治疗性蛋白质的生物利用度通常较低，在到达目标位置之前容易被迅速降解或清除，从而限制了治疗效果。” 为了解决上述挑战，设计出更高效、靶向性更强、更加可控的蛋白质递送机制，Dong-Gyu Jo教授带领团队尝试从外泌体（exosome）中寻找全新的递送方案。在一项发表于近期《科学-转化医学》（Science Translational Medicine）的研究中，研究团队开发出了基于外泌体的细胞内治疗性蛋白递送技术MAPLEX，并在小鼠实验中证实了其有效递送，并治疗阿尔茨海默病的能力。 外泌体是由细胞自然分泌的纳米尺寸囊泡。“外泌体具有天然穿过生物屏障（包括血脑屏障）的能力，并且与脂质纳米颗粒等合成载体相比，触发免疫反应的可能性较低。”Dong-Gyu Jo教授表示，这些优势让外泌体有潜力成为治疗性生物分子的纳米载体。 不过，目前使用外泌体的蛋白质递送系统也存在待解决的悖论：要将蛋白质装载到外泌体中，需要让货物蛋白与外泌体标记蛋白相融合；但另一方面，抵达目标位置后，货物蛋白需要与外泌体标记蛋白分离，才能进入受体细胞、正常发挥作用。因此，需要设计工具让货物蛋白和外泌体标记蛋白在装载时结合，但在递送过程中切割。 为了精确控制两者结合的时间与空间，确保货物蛋白在进入靶细胞时能从外泌体膜中释放，研究团队创新性设计了一套光裂解系统。 具体来说，作者将光裂解蛋白mMaple3融合在货物蛋白和外泌体标记蛋白CD9之间，从而实现第一个目标：将货物蛋白装载到外泌体中。这时的货物蛋白-mMaple3-CD9虽然是结合状态，但其中的纽带mMaple3却是一枚“定时炸弹”。作为光裂解蛋白，顾名思义，mMaple3可以被特定波长的光裂解。 于是，在提纯融合蛋白后，研究团队在给药前通过450纳米的光诱导mMaple3裂解，这时货物蛋白也自然与CD9分离，从外泌体膜释放，实现了货物蛋白的细胞内递送！ ▲MAPLEX系统设计示意图（图片来源：参考资料[1]） Dong-Gyu Jo教授表示，这套系统确保了在细胞环境中正确激活和定位，提高了蛋白质递送的安全性和有效性。研究团队将该系统命名为“mMaple3介导的蛋白质装载到外泌体和从外泌体释放”，简称MAPLEX。 随后，研究团队对MAPLEX的实际应用潜力进行了初步检验。前面说到，由于需要穿过血脑屏障，治疗阿尔茨海默病的细胞内蛋白质药物递送尤为困难。我们知道，β-淀粉样蛋白是阿尔茨海默病的致病蛋白之一，而Β位淀粉样蛋白前体蛋白切割酶1（BACE1）是β-淀粉样蛋白生成途径的限速步骤，因此减少BACE1蛋白将有助于改善认知功能。 因此在这项实验中，研究团队使用MAPLEX，装载的货物蛋白是dCas9蛋白复合物与DNA甲基转移酶3A催化结构域（D3A）的融合蛋白，其中dCas9还结合了靶向Bace1基因的单向导RNA。由此，完整的货物蛋白称为sgBace1-dCas9-D3A。 ▲MAPLEX系统能够对阿尔茨海默病小鼠模型进行体内的基因重组（上）与表观遗传（下）编辑（图片来源：参考资料[1]） 利用这套系统，研究团队通过鼻腔分别给两种阿尔茨海默病小鼠模型给药。通过基因重组与表观遗传编辑，MAPLEX分别降低了两种小鼠大脑中的Bace1表达和β-淀粉样蛋白水平，成功实现了对脑细胞的蛋白质递送，改善了小鼠的认知和记忆能力。 对于MAPLEX系统的未来前景，Dong-Gyu Jo教授表示，除了在神经退行性疾病中的已有发现，研究团队正在探索其在罕见遗传性疾病领域的应用前景：“对于这类疾病，精确的基因调控至关重要。而MAPLEX可以向受罕见遗传病影响的细胞递送基因编辑工具，从而提供潜在的靶向治愈手段。”  Dong-Gyu Jo教授继续介绍道：“未来我们还将进一步完善该系统，并将其应用扩展到包括癌症、自身免疫性疾病在内的一系列治疗领域。我们还在寻求合作，以加速MAPLEX进入临床试验，希望它能成为治疗多种疾病的多功能平台。” 参考资料： [1] Jihoon Han et al. Engineered exosomes with a photoinducible protein delivery system enable CRISPR-Cas–based epigenome editing in Alzheimer’s disease. Science Translational Medicine (2024). DOI: 10.1126/scitranslmed.adi4830 本文来自药明康德内容微信团队，欢迎转发到朋友圈，谢绝转载到其他平台。如有开设白名单需求，请在“学术经纬”公众号主页回复“转载”获取转载须知。其他合作需求，请联系wuxi_media@wuxiapptec.com。 免责声明：药明康德内容团队专注介绍全球生物医药健康研究进展。本文仅作信息交流之目的，文中观点不代表药明康德立场，亦不代表药明康德支持或反对文中观点。本文也不是治疗方案推荐。如需获得治疗方案指导，请前往正规医院就诊。

*仅供医学专业人士阅读参考众所周知，Aβ斑块是阿尔茨海默病（AD）最主要的病理特征之一。不知道你是否曾想过这个问题：Aβ的产生究竟是由哪种脑细胞主导的。一直以来，兴奋性神经元都被认为是Aβ产生的最主要甚至唯一幕后黑手，尽管近年来有少数研究发现其他脑细胞也有助于Aβ的产生。今天，由德国马克斯·普朗克多学科科学研究所Klaus-Armin Nave、Andrew Octavian Sasmita和Constanze Depp领衔的研究团队，在著名期刊《自然·神经科学》杂志发表一项重要研究成果，有望改变上述传统认知。他们基于人类神经组织测序数据和AD小鼠模型，首次在体内证实少突胶质细胞（OL）也是Aβ产生的重要来源，尽管兴奋性神经元产生的Aβ是斑块形成所必需的。这一发现对于阿尔茨海默病的治疗和预防有重要意义。▲ 论文首页截图实际上，在这个研究之前，已经有几个研究发现体外培养的少突胶质细胞可以产生Aβ。考虑到少突胶质细胞是髓鞘的重要组成部分，而髓鞘的变化与阿尔茨海默病有关，Nave团队想知道在体内条件下少突胶质细胞是不是可以产生Aβ，以及对Aβ斑块形成的作用。Nave团队先分析了现存的小鼠和人神经组织转录组数据库的数据，发现与Aβ生成相关的基因（APP、BACE1、PSEN1和PSEN2），在神经元和少突胶质细胞中的表达水平相似。他们基于自己实验室小鼠和人类组织样本的数据，也发现少突胶质细胞中有相关基因的表达和相关蛋白的存在。▲ 少突胶质细胞（OL）中确实存在APP和BACE1的表达为了验证少突胶质细胞（OL）和兴奋性神经元（ExN）在Aβ生成中的贡献，Nave团队在APPNLGF基因敲入AD小鼠模型基础上，分别构建了特异性条件敲除少突胶质细胞Aβ生成限速酶BACE1编码基因Bace1的AD小鼠模型，以及特异性条件敲除兴奋性神经元Bace1的AD小鼠模型。在证实上述AD小鼠模型的可靠性之后，他们对比了不同AD小鼠模型大脑中Aβ斑块的形成情况。与对照组相比，少突胶质细胞Bace1缺失AD小鼠模型的Aβ斑块数量减少了30%。▲ 敲除少突胶质细胞的Bace1基因，Aβ斑块数量显著减少神奇的是，与对照组相比，兴奋性神经元Bace1缺失AD小鼠模型的Aβ斑块数量竟然减少了95-98%。▲ 敲除兴奋性神经元的Bace1基因，Aβ斑块几乎全部消失这个结果太出人意料了。怎么就与少突胶质细胞贡献的30%对不上了呢？！Nave团队的研究人员突然想到，Aβ斑块的形成要遵循西格马生长动力学规律[3]。简单来说，Aβ斑块的形成需要Aβ水平达到一个阈值，如果没有兴奋性神经元产生的Aβ，这一阈值就难以达到，少突胶质细胞生成的Aβ其实也就无能为力了。随后，他们检测不同AD小鼠模型大脑不同部位的Aβ水平，发现即使没有神经元贡献的Aβ，少突胶质细胞也会生成大量的Aβ。这一数据证实了上述猜想。也就是说，在阿尔茨海默病的发病过程中，少突胶质细胞生成的Aβ主要起到“雪上加霜”的作用。▲ 少突胶质细胞确实贡献了Aβ巧的是，就在上个月的23日，由英国伦敦大学学院Marc Aurel Busche和Rikesh M. Rajani领衔的研究团队，在知名期刊PLOS Biology上发表了一项研究成果。他们也发现少突胶质细胞是人脑中Aβ的重要来源，而选择性抑制少突胶质细胞Aβ的产生，可改善AD小鼠模型的大脑病理学，并恢复小鼠神经元的功能[3]。总的来说，以上两个研究首次在体内证实，少突胶质细胞产生的Aβ对阿尔茨海默病Aβ病理的进展有重要促进作用。这一发现，有望打破神经元是Aβ主要或唯一来源的传统认知，为阿尔茨海默病新药的研发提供新靶点。参考文献：[1].Sasmita, A.O., Depp, C., Nazarenko, T. et al. Oligodendrocytes produce amyloid-β and contribute to plaque formation alongside neurons in Alzheimer’s disease model mice. Nat Neurosci. 2024. doi:10.1038/s41593-024-01730-3[2].Burgold S, Filser S, Dorostkar MM, Schmidt B, Herms J. In vivo imaging reveals sigmoidal growth kinetic of β-amyloid plaques. Acta Neuropathol Commun. 2014;2:30. Published 2014 Mar 28. doi:10.1186/2051-5960-2-30[3].Rajani RM, Ellingford R, Hellmuth M, et al. Selective suppression of oligodendrocyte-derived amyloid beta rescues neuronal dysfunction in Alzheimer's disease. PLoS Biol. 2024;22(7):e3002727. Published 2024 Jul 23. doi:10.1371/journal.pbio.300272本文作者丨BioTalker