针对BACE1治疗Alzheimer's病的进展

苏义+鲁艳红+余昌胤

【摘要】AD患者脑中BACE1活性升高，导致Aβ生成增多。BACE1被证实是脑中主要的β-分泌酶，是Aβ形成的关键限速酶。BACE1抑制剂、BACE1基因敲除、BACE1siRNA治疗、UPP调节剂可减少BACE1的表达或抑制其活性，降低Aβ水平。即使AD晚期阶段患者，针对BACE1治疗仍可能取得一定疗效。抑制BACE1表达、降低其活性或干扰其功能已经成为治疗AD的主要靶点。本文主要分别对此方面的研究进展综述如下。

【关键词】Alzheimer's病（AD）；β淀粉样蛋白（Aβ）；淀粉样前体蛋白β位裂解酶1（BACE1）；抑制剂；基因敲除；siRNA；泛素蛋白酶体通路（UPP）

【中图分类号】R748 【文献标识码】A 【文章编号】2095-6851（2017）12-0-01

引言

AD是威胁全人类的常见疾病[1]，2050年近1亿。病因迄今不明，可能与遗传和环境因素等有关。基因检测，心理测试，影像改变及脑脊液标志物Aβ42/P-Tau比率升高可诊断临床前AD。AD病理特征早期细胞外淀粉样老年斑（SP）和细胞内的过度磷酸化Tau神经原纤维缠结（NFTs）形成。后期逐渐进展为大脑皮质和边缘海马系统神经元的进行性变性和丧失，脑萎缩。SP的核心成分是β淀粉样蛋白（Aβ），Aβ增多沉积是AD突出的病理改变。

若从根本上治愈或阻止病情发展必须减少SP产生，促进Aβ降解。通过抑制BACE1的表达，阻断APP裂解，减少Aβ。相比γ-分泌酶，β分泌酶中BACE1作用相对单纯，针对该酶治疗AD疗效较好，本文就针对BACE1治疗AD的研究进展综述如下。

1 BACE1的生物学特性

BACE1是一种新型的膜结合的天冬氨酸蛋白酶，由501个氨基酸残基组成，BACE基因定位在11q2313，BACE在PH4.0-4.5活性最高，在胰腺和神经元中表达最高，在脑组织中活性最高[2-3]，是APPβ位点剪切酶1 （β-site APP-cleaving enzyme，BACE1）。在中樞神经突触前膜末端浓度较高[4]，参与脑发育和神经轴突生长，调节神经髓鞘形成[5]。BACE1活性还受转录水平、翻译后修饰及细胞内的许多分子的影响。泛素蛋白酶体通路是降解BACE1三种中主要途径。抑制BACE1不但使Aβ生成减少，还使APP趋向于沿α-分泌酶途径分解，在BACE基因缺失的小鼠脑中Aβ几乎完全消失。

2 BACE1对Aβ的调控

在AD患者脑中BACE主要是BACE1，BACE2较少，主要分布在发生病变的额皮质、枕叶皮质、海马。Aβ是βAPP的代谢产物。其中APP代谢与α、β、γ三种分泌酶有关，APP淀粉样生成途径通过BACE、γ分泌酶裂解APP为Aβ1-40和Aβ1-42。Aβ1-40和Aβ1-42，两者比例约为9：1。AD患者脑组织中Aβ1-42增加，Aβ再聚集成不溶性高聚物导致SP形成，BACE1是产生Aβ的限速酶，抑制BACE1酶活性可减少Aβ产生及其毒性。

3 BACE1与AD的关系

AD患者Aβ沉积区BACE1的活性显著增高。AD患者BACE1的活性与Aβ水平正相关，Aβ1-42通过多个病理毒性，导致AD。近年来研究发现AD病源学中危险因素和致病原因可导致脑组织中BACE1的mRNA、蛋白量活性和Aβ水平均明显增加。在APP转基因鼠和AD脑中敏感脑区BACE1活性显著升高，Aβ形成分布和BACE1活性呈正相关，脑脊液中BACE1升高水平和SAD患者呈显著相关，而且BACE1活性和Aβ1-42水平、总tau、磷酸化Tau在脑脊液中呈显著正相关，但长期抑制BACE对以上指标无变化[6]。

4 针对BACE1治疗AD

针对BACE1治疗可从四个水平进行[7]：一是BACE1蛋白质水平，药物下调BACE1表达和活性。二是BACE1mRNA水平，可通过RNAi抑制BACE1基因表达，降低或阻止BACE1mRNA转录；三是BACE1-DNA基因水平，如基因敲除，反义核酸技术，核酶技术等；四是促进BACE1降解。反义核酸技术和核酶技术应用DNA或RNA都是单链，性质不稳定，很容易受到体内核酶的降解，因此抑制效应短暂，不适于对基因功能长期调节，不适于对AD治疗。

4.1 BACE1抑制剂治疗AD

针对BACE1是脑内β-分泌酶的主要形式，BACE1抑制剂试验显示有效阻止Aβ的生成和沉积，副作用严重性相对小。世界各个科研和制药公司竞相开发BACE1抑制剂。

第一代肽类结构，天门冬氨酸蛋白酶抑制剂，对BACE1有较好选择性和较高的抑制性，但这类BACE抑制剂都是链较长的肽类，短链的也是四肽、五肽，分子量较大，难以穿透血脑屏障为脑神经细胞所吸收，生物利用度低。同时肽类化合物稳定性差，易于为P糖蛋白转运，易为蛋白酶水解，药效作用时间短。β分泌酶包又含BACE1和BACE-2，两者结构类似，都具有天冬氨酸蛋白酶的特性，以致抑制剂在抑制BACE1蛋白酶时，往往会交叉抑制蛋白酶家族其它成员，出现较多副作用，临床难以推广应用。

第二代非肽类BACE1抑制剂。非肽类BACE1抑制剂种类很多，如四氢化萘衍生物、异酞酰胺型BACE1抑制剂、含有氧磷基甲基和磷酰基甲基的琥珀酸和戊二酸类似物一些非肽类及含磷四肽类抑制剂、某些Macrocyclization型大环化合物等，小分子非肽类BACE1抑制剂仍表现出较难的膜通透性，研究人员通过实验证明在抑制剂C-端多糖链上加上甾醇基有利于抑制剂入胞，且表现出更高的抑制活性[8]。体外实验证实肝素类似物是有力的BACE1抑制剂，几乎不影响凝血及抑制其它具有天冬氨酰蛋白酶结构的蛋白酶，但有剂量依赖性，是一种有望作为治疗AD的新型BACE1抑制剂；动物模型中GSK188909、卡宾胺类BACE1抑制剂"TC-1"显著减少脑内Aβ1-40和Aβ1-42的水平。endprint

第三代BACE1小分子抑制剂大多数在试验阶段，计划在2024年完成全部研究。如低分子肝素C3表现出抑制BACE1降低Aβ治疗AD[9]，药物动力学和合适的大脑渗透，已经被证明是非常具有挑战性的。AZD3293已获FDA批准。

第四代新型制剂，如AP2469潜在的多功能治疗AD药物，兼有BACE1抑制性，AChE抑制性和抗氧化性能，具有减少Aβ42聚集改善认知功能[10]。

其他天然药物TCM其他天然药物如多种萜类、生物酚类、生物碱类如银杏叶提取物、黄酮、丹参酮、旋覆花黄酮、大豆异黄酮、金钗石斛生物碱、木兰醇、黄皮酰胺等均具有抗老年性痴呆的作用，但其作用机制与抑制BACE1相关性正在研究阶段。

Hirata-Fukae等研究发现BACE1转基因幼鼠内源性Aβ和BACE1同时显著减少，但Aβ水平在BACE1转基因幼鼠和野生型幼鼠却相近，说明BACE1蛋白水平对内源性Aβ水平影响微小。在成年和老龄鼠脑中必然是其它的因素参与了对Aβ生成的调节引起Aβ增加，而用BACE1抑制剂也必然对临床治疗AD有益。

4.2 BACE1基因敲出

Steven等应用基因敲除策略，培育出BACE1基因缺陷（BACE1-/-）的小鼠，与正常小鼠（BACE1 +/+）比较，BACE1基因敲除后抑制了Aβ的生成，同时BACE1-/-基因敲除小鼠幼年和成年期无任何表型差异和生化生理及动作行为神经肌肉参数异常。这和PS基因敲除后引起显著的发育异常形成鲜明的对比。

对BACEI-/-鼠很多细微的改变需继续深入研究，如神经轴突，记忆损坏及减少肌梭和髓鞘形成，神经生化变化等。

4.3 RNAi干扰和siRNA干扰治疗AD

siRNA治疗AD的途径目前有三个，一是通过移植RNAi基因修饰的神经干细胞到病变部位，同时诱导其向神经元和神经胶质细胞成功分化。由于RNAi基因修饰的神经干细胞中BACE1基因的表达量下调，这样诱导分化的成熟的神经细胞或许能修复和替代受损的神经细胞，重建或恢复神经细胞间正常的递质传递和信息联系等功能，同时低表达BACE1基因的神经细胞有可能降低脑内Aβ浓度。二是通过不同方式把使表达载体转染患者脑神经细胞，在细胞内表达载体生成siRNA沉默BACE1基因表达。如合成编码BACE1siRNA的慢病毒载体转染神经干细胞和鼠脑。三是通过体外转录合成siRNA，然后微创介入目标区神经组织，把siRNA导入到神经细胞内，发挥BACE1siRNA效应降解细胞内BACE1mRNA，下调AD患者神经细胞内BACE1mRNA的表达，从而使BACE1蛋白表达下降。

三种方式这在实验中均得到抑制BACE1表达和减少Aβ生成的结果。在体RNAi还有显著的困难，但RNAi在体阻滞基因表达是一种潜在的人类疾病治疗途径。RNAi是一种行之有效的治疗AD方法。

4.4 针对泛素-蛋白酶体途径（UPP）影响BACE1

BACE1可通过3种途径降解[11]。UPP通过泛素化BACE1降解，参与调控BACE1裂解APP生成Aβ。泛素参与AD的NFT形成终末阶段，泛素化后的蛋白质未能被降解，或UPP功能失调。Aβ可选择性地抑制20s蛋白酶體糜蛋白酶样活性，在病理状态下通过抑制UPP26s蛋白酶体活性使泛素依赖性蛋白的降解发生障碍。Zhang等[12]研究发现，UCHL-1（ubiquitin carboxyl-terminal hydrolase L1）也可促进蛋白酶体对BACE1的降解。ubiquilin-1和BACE1蛋白质水平正相关，ubiquilin-1通过影响BACE1导致Aβ积聚。蛋白酶抑制剂（如MG132），可增强Aβ对细胞诱导的毒性作用。开发合适的UPS调节剂改善蛋白酶体的功能，可发挥间接抑制BACE1的活性，可能是治疗AD的新思路。

5 针对BACE1后对机体的影响

BACE1抑制剂、siRNA敲低BACE1基因表达和BACE1基因敲出均显示出降低AD模型中BACE1活性，减少Aβ生成，逆转AD病理改变等可喜的优点，但同时也表现了诸多副作用。基因敲除动物表型虽然正常，但体内BACE1完全消失，近来详细资料研究提示潜在有害。

BACE1抑制剂治疗后老年参与者CSF中BACE1活性与Aβ42，及Tau下降，且呈正相关[13]，特别是小分子抑制剂，对治疗AD前景更乐观。小分子抑制剂可对大脑BBB有效渗透，对脑BACE1高选择，高清除Aβ药动力学好[4]。

Maarten等[13]研究发现在周围神经髓鞘形成时，BACE1表达水平明显增高。应用BACE抑制剂后，缺乏BACE1导致未降解的NRG1的堆积。BACE1 -/-大鼠周围神经髓鞘形成差，细传入纤维轴索分离异常。这一点和III型NRG1基因突变及与施旺细胞有关的ErbB2基因敲除引起的变化非常相像。因NRG1需和ErbB受体结合促进周围施旺细胞生成髓鞘。

Hu等通过对野生型小鼠和BACE基因敲除小鼠对照研究表明，BACE1遗传基因缺失小鼠对疼痛的敏感性提高，握力降低，小鼠坐骨神经髓鞘形成差。表明髓鞘形成必须要BACE1参与；BACE1底物体内分布广泛，不仅在APP代谢，NRG1方面；BACE1生成物功能多样，通过自分泌和旁分泌发挥作用。

Wang等实验研究发现敲除小鼠（BACE1 -/-）3-6个月龄动物出现行为障碍，海马脑片电生理学记录证明CA3区苔状纤维突触可塑性改变和突触前功能严重短缺，表现为突触前释放减少，LTP传递功能缺失；BACE1基因敲除后出现髓鞘形成不足和异常全长的NRG1增多聚集使正常的NRG1缺乏。

Savonenko[14]等实验究发现BACE1 -/-小鼠表现出更多副作用如易兴奋、对谷氨酸能神经元兴奋剂MK-801过度敏感、认知功能损坏等类精神分裂症样症状，这些表现对氯氮平治疗有反应。BACE1 -/-小鼠脑中NRG1的受体ErbB4总量无变化，此信号传导中连接ErB4的突触后蛋白PSD95密度显著性减少，与突触密度减少。endprint

6 结语

AD重在病因治疗，预防为先，需要个人和社会共同参与，选择个体化的AD治疗方法。动物模型中BACE1抑制剂可减少大脑淀粉样蛋白沉积和改善认知障碍。其中选择理想的BACE1抑制剂，是防治AD，延年益智的有效可行策略。

参考文献

Reitz C，Mayeux R. AD：epidemiology，diagnostic criteria，risk factors and biomarkers， BiochemPharmacol，2014，88（4）：640-651.

Koo EH， Squazzo SL. Evidence thatProduction and release of amyloid beta-protein involves the endocyticPathway. J Biol Chem ，1994， 269（26）：17386-17389.

Sinha，S.Anderson，J.et al.Purification and cloning of amyloidPrecursor beta-secretase from human brain. Nature，1999，402（6761）：537- 540.

R.Vassar. BACE1 inhibition as a therapeutic strategy for AD.Journal of Sport and Health Science 2016，5：388-390.

]Hu X， Hicks CW， et al.BACE1 modulates myelination in the central andPeripheral nervous system. Nat Neurosci，2006，9（12）：1520-1525.

Maarten Timmers，Soraia Barao， et al. BACE1 dynamics upon inhibition with a BACE inhibitor and correlation to downstream Alzheimer's Disease markers in elderly healthyParticipants. Journal of Alzheimers Disease56（2017）：1437-1449.

Evin G，Hince C .BACE1 as a Therapeutic Target in Alzheimers Disease： Rationale and Current Status. Drugs and Aging.2013，30（10）：755-764.

Hussain I， Hawkins J， et al. Oral administration of aPotent and selective non-peptidic BACE1 inhibitor decreases beta-cleavage of amyloidPrecursorProtein and amyloid-betaProduction in vivo，J Neurochem，2007，100（3）：802-809.

Lee， John；Hejna， Mattew；etal. Low molecular weight heparin C3 as aPotential BACE inhibitor for the treatment of Alzheimer's disease.[J]，Neuropathology and Experimental Neurology.2015.6，6（74）：593.

Yu Wang，Hao Wang，etal.AChE inhibition-based multi-target-directed ligands，a novelPharmacological appoach for the symptomatic and disease-modifying therapy of Alzheimers disease. Current Neuropharmacology， 2016， 14， 364-375.

Motoki K，Kume H，etal.Neuronal β–amyloid generation is independent of lipid raft association of β-secretase BACE1：analysis with aPalmitoylation-deficinet mutant[J]. Brain Behav，2012，2：270-282.

Zhang M，Deng Y，etal. Control of BACE1 degradation and APPProcessing by ubiqutin carboxy1-terminal hydrolase L1[J]. J Neurochem，2012.120：1129-1138.

Maarten Timmers，Soraia Barao， etal. BACE1 dynamics upon inhibition with a BACE inhibitor and correlation to downstream AD markers in elderly healthyParticipants. Journal of AD56（2017）：1437-1449.

Liu CG，Wang JL，etal.MicroRNA-135a and -200b，potential Biomarkers for Alzheimer?s disease，regulate β secretase and amyloidPrecursorProtein[J]. Brain Res，2014，1583：55-64.endprint