叶克强教授：研发小分子化合物治疗神经退行性疾病领域的先行者

本文来源于“脑科学与脑技术”，brainnews经授权发布。

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PI介绍

叶克强，博士生导师，中国科学院深圳理工大学（筹）生命健康学院生物学系系主任、讲席教授，曾任美国埃默里大学终身教授，“国家重大人才工程”特聘专家，教育部“长江学者”讲座教授，湖北省“百人计划”入选者。叶克强教授现主要研究方向包括：1. 神经退行性疾病发病机制及早期诊断；2.神经退行性疾病小分子新药物的开发及研究；3. 药物的筛选，化学合成，改造及药物设计。多年来，叶克强教授团队发表高水平论文总影响因子超过2000分，H因子66，被引次数共计15480次，是世界公认的小分子化合物治疗研发的领军科学家之一，是研发小分子化合物治疗神经退行性疾病领域的国际权威。叶教授在上海创立的博芮健制药有限公司，现在已经拿到美国 FDA 上临床批文。治疗老年痴呆症的一期临床试验正在紧锣密鼓的筹划中。叶教授在EMORY大学有12 项获批的专利，其中五项专利已经引进到上海博芮健公司。在中国做出原创性的世界首例新药并且产业化，让中国以及世界人民受益是叶克强教授为之奋斗的理想。

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成果概述

2016年以来，叶克强教授课题组连续发表多篇论文，在阿尔茨海默症等相关领域取得重要进展。分别是：

01

2017年

《分子细胞》(Molecular Cell)发表了叶克强教授课题组的研究论文“Delta-Secretase Phosphorylation by SRPK2 Enhances Its Enzymatic Activity, Provoking Pathogenesis in Alzheimer’s Disease”，首次揭示了δ-分泌酶（也称天冬酰胺内肽酶，AEP）在翻译后重要的分子调控机制：通过SRPK2介导的δ-分泌酶磷酸化诱导其从溶酶体向细胞质转移，并激活酶活性使其剪切各种底物包括APP和Tau，加重了阿尔茨海默症病理过程。

02

2017年

《自然通讯》(Nature Communications)发表了叶克强教授课题组的研究论文“Inhibition of delta-secretase improves cognitive functions in mouse models of Alzheimer’s disease“，报道了该课题组通过高通量药物筛选发现δ-分泌酶的特异性抑制剂对阿尔茨海默症小鼠认知功能的改善作用。

03

2017年

《自然结构和分子生物学》(Nature structural & molecular biology)刊发了叶克强实验室的研究论文“Asparagine endopeptidase cleaves α-synuclein and mediates pathologic activities in Parkinson’s disease”，报道了AEP在N103 位点剪切α-突触核蛋白促进其聚集与神经毒性是帕金森疾病中α-突触核蛋白病理学效应关键介质的重要进展。

04

2018年

《自然通讯》(Nature Communications)发表了叶克强教授课题组的研究论文“C/EBPβ regulates delta-secretase expression and mediates pathogenesis in mouse models of Alzheimer’s disease”，首次发现了炎症调节转录因子CCAAT-enhancer-binding protein (C/EBPβ)作为一种关键的年龄依赖性效应因子，在介导AD小鼠模型的发病过程中，提高了δ-分泌酶和炎症细胞因子的表达。

05

2019年

《细胞研究》(Cell Research)发表了叶克强教授课题组的研究论文“Initiation of Parkinson’s disease from gut to brain by δ-secretase”，报道了δ-分泌酶在N103和N368位点分别切割α-Syn和Tau，并介导它们的纤维化和从肠道到大脑的逆行传播，触发与路易小体相关的黑色素多巴胺能神经元损失和运动功能障碍。

06

2020年

《分子精神病学》(Molecular Psychiatry)发表了叶克强教授课题组的研究论文“C/EBPβ/δ-secretase signaling mediates Parkinson’s disease pathogenesis via regulating transcription and proteolytic cleavage of α-synuclein and MAOB”，首次报道了C/EBPβ/δ-分泌酶信号轴通过调节参与帕金森病的关键因子表达，在老化与神经毒素诱发的帕金森病中发挥重要作用。

077

2020年

《神经生物学进展》(Progress in Neurobiology)刊发了叶克强教授课题组的研究论文“BDNF and Netrin-1 repression by C/EBPβ in the gut triggers Parkinson’s disease pathologies, associated with constipation and motor dysfunctions”，报道了慢性肠道炎症引起C/EBPβ激活，导致BDNF和Netrin-1减少并触发α-突触核蛋白在肠道上病理学改变，诱导帕金森疾病的重要进展。

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成果介绍

NO.1

δ-分泌酶小分子抑制剂可以改善阿尔

茨海默症小鼠的认知功能

δ-分泌酶也被称为天冬酰胺内肽酶(Asparagine Endopeptidase，AEP)，是一种溶酶体半胱氨酸蛋白酶，可裂解淀粉样前体蛋白(Amyloid Precursor Protein，APP)和Tau蛋白，介导阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)中淀粉样蛋白β和Tau蛋白病理。抑制δ-分泌酶可有效减轻神经元死亡，并预防神经退行性疾病的发生。因此，这种酶的新型抑制剂被认为有望成为AD的有效治疗药物。然而，由于目前已报道的抑制剂存在低选择性与低生物利用性等缺陷，针对δ-分泌酶的有效小分子抑制剂还尚未被确定。令人惊喜的是，叶克强团队通过高通量筛选，发现了一种有效的、特异性δ-分泌酶小分子抑制剂化合物#11可以在2 mM浓度下选择性抑制δ-分泌酶的活性（图1）。

值得注意的是，这种小分子类的双重抑制模式解释了δ-分泌酶的双相快-松与慢-紧模式，与已报道的肽δ-分泌酶抑制剂使用反应弹头共价靶向活性位点亲核试剂相比，这种独特的抑制机制提供了巨大的特异性优势。此外，共晶体结构数据为基于结构的药物设计和优化这一有前景的口服生物活性与脑渗透性先导化合物铺平了道路。

 图1. 化合物的表征

图2. #11对5XFAD小鼠模型具有抑制δ-分泌酶活性、减弱Aβ沉积和认知缺陷的作用。

在AD模型小鼠中，我们发现#11长期给药后利用该抑制剂长期治疗tau P301S与5XFAD转基因小鼠，可以减少tau与APP裂解，改善突触损失，同时增强记忆维持相关的长时程增强，从而保护记忆。

图3. #11可改善5XFAD小鼠的突触缺失，恢复突触功能障碍。

因此，我们鉴定出了一种AD小鼠模型中有效、有针对性的、且无毒的δ-分泌酶小分子抑制剂。药物化学和药物开发优化的数据均显示#11将是一个非常有前景的先导化合物。

NO.2

天冬酰胺内肽酶（AEP）是帕金森疾病

中的关键介质

帕金森疾病（Parkinson’s disease，PD）是第二常见的神经退行性疾病，其特征是运动功能障碍，其病理特征主要包括黑质中多巴胺能神经元的缺少及剩余多巴胺能神经元中路易小体的累积。其中，路易小体由被过度磷酸化或截断的α-突触核蛋白聚集形成，因此α-突触核蛋白的聚集在突触核蛋白病如PD的发病机制中起着至关重要的作用。然而，α-突触核蛋白致病作用的分子机制尚不完全清楚。
哺乳动物体内的AEP是一种内溶酶体半胱氨酸蛋白酶，可在天冬酰胺残基后切割蛋白质。课题组前期研究表明神经元AEP在兴奋性毒性期间被酸中毒激活并促进神经元凋亡，增强Tau过度磷酸化，并在残基 N255 和 N368 处切割 Tau从而介导AD患者脑中神经原纤维缠结的形成，且大脑中的 AEP 蛋白水平以年龄相关的方式增加。因此，AEP 也可能在衰老过程中影响PD 患者大脑中的α-突触核蛋白的水平。

图1. α-突触核蛋白是AEP的底物。

AEP被激活并以年龄依赖性方式在N103处切割人源性α-突触核蛋白。AEP在患有PD的患者脑中被高度激活，进而破坏α-突触核蛋白，在路易小体中发现该突触核蛋白聚集（图1）。黑质中AEP切割的 α-突触核蛋白1-103片段的过度表达会诱导小鼠的多巴胺能神经元丢失和运动缺陷（图2）。

相比之下，抑制 AEP 介导的α-突触核蛋白（野生型和 A53T 突变体）裂解会减少 α-突触核蛋白的病理作用。总之，这些发现支持AEP作为PD中α-突触核蛋白相关病理学效应的关键介质的作用。

图2. AEP 裂解的α-突触核蛋白促进了α-突触核蛋白聚集和毒性作用。

在本研究中，叶克强团队揭示了AEP切割人源性α-突触核蛋白，触发其聚集并增加其神经毒性，从而导致小鼠模型中的多巴胺能神经元丢失和运动障碍的作用机制。

NO.3

天冬酰胺内肽酶（AEP）通过肠脑轴

触发帕金森疾病的机制

除了常见的运动和非运动症状，便秘也是PD的早期症状之一。近年来研究表明α-Synuclein (α-Syn)内含物是PD的标志，从可从肠神经系统逐步扩散到中枢神经系统。然而，目前还不清楚这一过程在分子水平上是如何调控的。课题组长期研究的AEP能够同时切割 AD患者大脑中的APP和Tau蛋白，介导老年斑和神经纤维缠结的病理。
另一方面，近期课题组也报道了PD患者大脑中AEP的激活，及AEP在N103 剪切α-Syn并介导其在PD 发病机制中的作用。在本研究中，叶克强教授团队发现α-Syn N103片段与Tau N368片段能够发生强烈相互作用，而Tau N368片段在PD患者的肠道和大脑中升高（图1）。

图1. α-Syn N103/Tau N368相互强烈相互作用并触发小鼠原代神经元内源性α-Syn磷酸化。

此外，长期口服神经毒素鱼藤酮可诱导肠道AEP激活和α-Syn N103/ Tau N368复合物形成，导致便秘和多巴胺能神经元死亡，并以AEP依赖性方式存在（图2）。有趣的是，α-Syn N103/Tau N368复合物PFFs在触发内源性α-Syn或Tau磷酸化、聚集和神经元死亡方面比FL/FL复合物更有效。

图2. 鱼藤酮在肠道和大脑中启动α-Syn N103/Tau N368复合物的形成，以AEP依赖的方式诱导PD病理和运动功能障碍。

值得注意的是，结肠接种的α-Syn N103/ Tau N368 PFFs从肠道传播到大脑，引发PD病理和行为缺陷（图3）。

图3. 结肠注射α-Syn N103/Tau N368复合物的PFFs诱发PD病理和行为障碍。

以上叶克强教授团队的新观察表明，AEP切割的Tau和α-Syn在结肠中形成纤维，沿着迷走神经从肠道到大脑，并诱导脑黑质的多巴胺能神经元丢失，触发PD发病机制和各种运动和非运动功能障碍。因此，AEP是治疗PD的一种新的疾病修饰药物靶点。

文字：王蒙蒙 孟鑫 李博维 董珊

编辑：翟雅琦