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阿尔茨海默病（AD）是导致痴呆的重要因素，随着人口老龄化的不断加重，AD已经成为近在眼前的危机。
经典理论认为Aβ沉积是AD的病理原因之一，因此针对性地开发了多款药物。β分泌酶BACE1是将淀粉样前体蛋白（APP）转变为Aβ的催化酶之一，抑制BACE1的活性能够减少Aβ蛋白的产生。
已有多款BACE1抑制剂进入临床试验，它们可以有效地抑制BACE1的活性，并减少大脑以及脑脊液中的Aβ蛋白，但是由于存在包括非进展性认知衰退在内的副作用[1-3]，多数药物止步于2/3期临床试验。目前还不清楚为何BACE1抑制剂会引起患者认知衰退。
近期，由德国神经退行性疾病中心的Stefan F. Lichtenthaler领衔的研究团队，在Molecular Neurodegeneration上发表最新研究成果[4]，揭示了BACE1不为人知的新功能。
他们发现，在非人类灵长类动物以及人类中，BACE1可以切割IL-6受体β亚基（gp130），从而影响神经元中IL-6的信号转导。由于可溶性gp130（sgp130）在健康状态下可以作为一种缓冲体系，防止过度的IL-6信号对神经元造成不利影响，因此长期抑制BACE1使得接受治疗的个体对IL-6信号的不利影响更为敏感。
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由于不同分子结构的BACE1抑制剂均可以引起认知衰退，并且这些药物对中枢神经系统BACE1的活性抑制可以达到75%以上，Lichtenthaler团队猜测这可能是由于过强地抑制了BACE1对某一个或某几个底物的裂解，从而引起神经系统的副作用。
为了寻找可能被BACE1裂解的蛋白，他们收集了3只猕猴在口服BACE1抑制剂MBI-4前后的脑脊液样品，利用质谱寻找差异蛋白质。他们发现服用BACE1抑制剂后，脑脊液中SEZ6、IL6ST（gp130）、VCAM1胞外结构域的丰度以剂量依赖的方式显著降低。其中，SEZ6是已知的BACE1底物；IL6ST是细胞因子受体gp130，已有的研究认为它可能是BACE1底物[5,6]。
为了进一步确认上述的发现，他们又进行了一次独立实验，给猕猴服用正在进行临床试验的BACE1抑制剂verubecestat，检测其脑脊液中含量变化的蛋白质。结果显示，服用verubecestat后，脑脊液中的SEZ6、CACHD1、LRRN1、L1CAM和sgp130表现出剂量依赖性的减少。
以上两次实验均表明，抑制BACE1的活性能够减少sgp130，提示gp130是一种潜在的BACE1底物。
gp130可能是BACE1的底物
为了探究上述现象在人类中是否也存在，Lichtenthaler团队收集了健康年轻人服用BACE1抑制剂verubecestat前后的脑脊液样品，通过WB以及ELISA检测脑脊液中的SEZ6以及sgp130的含量。
结果显示，服用verubecestat后，人类脑脊液中SEZ6以及sgp130的含量显著减少。这些数据提示，SEZ6和sgp130可以作为BACE1的药效学活性标记物。
既然来自非人灵长类以及人类志愿者的数据均表明gp130可能是BACE1的底物，那么接下来就是要证实BACE1是否真能够切割gp130。通过体外实验，Lichtenthaler团队直接地证实BACE1确实能够切割膜结合型gp130产生sgp130。
基于小鼠原代神经元的实验也表明，在活体神经元中BACE1确实可以切割gp130产生sgp130。
BACE1对gp130的体外切割作用
由于gp130介导IL-6的下游信号转导，且sgp130能够抑制IL-6的反式信号，因此Lichtenthaler团队想知道抑制BACE1的活性，是否会通过影响sgp130的丰度，从而影响神经元对IL-6的应答。
为此，他们使用小鼠原代神经元进行实验，使用IL-6和IL6R复合物（H-IL-6）刺激神经元，通过添加C3来抑制BACE1的活性。结果显示，抑制BACE1后，IL-6下游的STAT3磷酸化水平显著升高。
这可能是因为抑制BACE1活性后，细胞膜上的gp130增加，因此增强了IL-6的下游信号转导。如果将H-IL-6与sgp130共孵育一段时间再添加至培养基中，神经元中STAT3的磷酸化水平会显著降低，这表明sgp130可以与膜结合型gp130竞争性结合H-IL-6，从而阻碍神经元响应IL-6刺激。
在兴奋性毒性以及生长因子缺乏的情况下，gp130信号对神经元具有保护作用，因此研究团队使用不完全培养基培养小鼠原代神经元，比较添加或不添加BACE1抑制剂C3的情况下，H-IL-6对神经元的保护作用。结果显示，抑制BACE1提高了神经元对H-IL-6的敏感性，使更多的神经元存活下来。
综合上述数据，抑制BACE1的活性不仅可以减少gp130的切割，增强神经元向下游转导IL-6信号的能力，还能够减少sgp130的产生，减少对IL-6反式信号的抑制。这两方面的作用都能够提高神经元对IL-6信号的敏感性。
然而，IL-6对神经系统来说是一把双刃剑，虽然在正常发育过程中IL-6可以促进神经发生并促进神经元存活，但是IL-6信号的过度激活会对神经系统造成损伤[7]。考虑到AD患者血清中IL-6的浓度高于健康人，抑制BACE1提高神经元对IL-6的敏感性对AD患者来说可能并不一定是一件好事。
抑制BACE1能够影响神经元中IL-6反式信号转导
总的来说，这项研究首次清晰地证明了BACE1可以切割gp130产生sgp130，抑制BACE1的活性会导致BACE1对神经元上gp130的裂解减少，增加神经元上gp130的含量并减少大脑中sgp130的含量，这会导致神经元对IL-6信号更加敏感。
考虑到已有的研究显示，IL-6信号的过度激活与AD的认知功能下降有关[7]，因此，BACE1活性的强烈抑制可能会通过增强神经元对IL-6信号的敏感性，而导致患者认知能力受损。
Lichtenthaler团队的这一发现，对于BACE1抑制剂的临床开发具有重大意义。例如，可以将临床3期试验中脑脊液或者血液中sgp130减少的程度，与患者的认知衰退幅度进行联合分析，借此寻找到一个安全的sgp130含量范围，针对性地减少BACE1抑制剂的用量。而且，已经有临床前研究表明，将BACE1的活性降低50%或者更少仍然能够减少淀粉样斑块的增加[9]。
因此，或许可以找到一个用药方案，既能减少淀粉样斑块也能避免治疗带来的严重副作用。
参考文献：
1. McDade E, Voytyuk I, Aisen P , Bateman RJ, Carrillo MC, De Strooper B, et al The case for low‑level BACE1 inhibition for the prevention of Alzheimer disease. Nat Rev Neurol. 2021;17(11):703–14.
2. Henley D, Raghavan N, Sperling R, Aisen P , Raman R, Romano G. Prelimi‑ nary results of a trial of Atabecestat in preclinical Alzheimer’s disease. N Engl J Med. 2019;380(15):1483–5.
3. Wessels AM, Lines C, Stern RA, Kost J, Voss T, Mozley LH, et al Cognitive outcomes in trials of two BACE inhibitors in Alzheimer’s disease. Alzhei‑ mers Dement. 2020;16(11):1483–92.
4. Müller SA, Shmueli MD, Feng X, et al. The Alzheimer's disease-linked protease BACE1 modulates neuronal IL-6 signaling through shedding of the receptor gp130. Mol Neurodegener. 2023;18(1):13. Published 2023 Feb 21. doi:10.1186/s13024-023-00596-6
5. Stutzer I, Selevsek N, Esterhazy D, Schmidt A, Aebersold R, Stoffel M.Systematic proteomic analysis identifies beta‑site amyloid precursor protein cleaving enzyme 2 and 1 (BACE2 and BACE1) substrates in pancreatic beta‑cells. J Biol Chem. 2013;288(15):10536–47.
6. Hemming ML, Elias JE, Gygi SP , Selkoe DJ. Identification of β‑secretase (BACE1) substrates using quantitative proteomics. PLoS One.2010;4(12):e8477.
7. Lyra ESNM, Goncalves RA, Pascoal TA, Lima‑Filho RAS, Resende EPF , Vieira ELM, et al Pro‑inflammatory interleukin‑6 signaling links cogni‑ tive impairments and peripheral metabolic alterations in Alzheimer’s disease. Transl Psychiatry. 2021;11(1):251
8. McDade E, Voytyuk I, Aisen P , Bateman RJ, Carrillo MC, De Strooper B, et al The case for low‑level BACE1 inhibition for the prevention of Alzheimer disease. Nat Rev Neurol. 2021;17(11):703–14
责任编辑丨BioTalker