阿尔兹海默病与Psen1基因编辑小鼠【每周一鼠】

Psen1基因

遗传性的阿尔兹海默症（AD）患者一般都携带突变的早老素蛋白（PSEN1，PSEN2）或淀粉样前体蛋白（APP）。这些突变导致长链的淀粉样蛋白-β大量累积（AD患者脑中发现的淀粉样蛋白沉积物中的主要成分）。

研究人员发现，Psen1可以通过影响γ-分泌酶（一种裂解APP的酶）进而调控APP的加工。除此之外，Psen1可以通过直接调节γ-分泌酶活性或通过其自身酶活参与Notch信号通路中受体的裂解。目前，研究人员已经鉴定出了该基因的多种可变剪接转录本，但只有部分转录本有确定的功能^[1]。

图1. Psen1蛋白结构^[2]。

阿尔兹海默症

阿尔兹海默症（AD）是一种常见于老年人的神经退行性疾病，其主要病理变化是大脑皮质弥散性萎缩、神经原纤维缠结和神经细胞间大量老年斑形成等，进行性认知障碍和记忆功能减退是其主要临床症状。

老年期常见的痴呆有两种，即阿尔兹海默症（AD）和血管性痴呆：血管性痴呆是老年性痴呆的先兆，是脑血管疾病导致脑功能下降的结果；阿尔兹海默症是一种进行性、不可逆转的神经退行性疾病，约占所有痴呆病例的60%-80%，如图2^[3]。

图2.老年痴呆的分类与比较^[3]_。

AD的病理学特征为脑部胞内过磷酸化tau蛋白形成的神经原纤维缠结（neurofibrillary tangles, NFT）和胞外β-淀粉样蛋白（amyloid β, Aβ）聚集形成的老年斑（senile plaques, SP）。

目前AD发病机制主流学说——淀粉样蛋白级联学说认为，是Aβ生成和清除的失衡导致AD的发生。PSEN1、PSEN2 和APP基因突变是通过影响APP加工剪切过程，使得Aβ的产量绝对增加或相对增加，触发一系列级联反应从而导致AD发生。淀粉样蛋白假说仍然是在临床研究中描述AD的主要框架，并且继续影响AD潜在治疗的开发^[4]。

图3. 淀粉样蛋白假说病理学变化^[3]。

《2019年世界老年痴呆症报告》统计显示全球每3秒钟就有1例痴呆患者确诊，其中2/3痴呆患者将发展成AD，到2050年全球患AD的人数将从4700万上升至1.31亿。目前，我国每年平均有30万新发病例^[5]。

阿尔兹海默病的主流检测方法包括：神经影像学检查、脑脊液CSF检查、外周血抗体检查及外泌体检查，目前主要的诊断方式是联合诊断^[3]。

Psen1基因编辑小鼠

Psen1基因敲除纯合小鼠表现出骨骼畸形、Notch信号传导减弱、神经干细胞缺乏导致的脑生长受损、脑出血、淀粉样前体蛋白切割异常、出生前后死亡的现象^[6]。

之前的研究显示，APP蛋白经过β-分泌酶蛋白水解产生CTF-β，而CTF-β还是γ-分泌酶的底物。γ-分泌酶首先通过内肽酶样切割的方式（ε-切割）切割CTF-β，并产生长链β-淀粉样蛋白(Aβ)、Aβ₄₈和Aβ₄₉（图4a）。随后，γ-分泌酶通过羧肽酶样的切割（γ-切割）来水解长链Aβ，并产生更小长度的Aβ。

研究显示，家族性AD患者的Aβ肽发生了改变：在健康的人群中，Aβ₄₀（由40个氨基酸组成）占比较高，并且不会聚集。相比之下，类似Aβ₄₂和Aβ一样较长的Aβ在家族性AD患者的大脑中则表现出更高的致病性并且易于聚集^[7]。

研究人员的WB实验结果显示全长APP和CTF-β&α在Psen1-P436S杂合小鼠中并没有改变（图4b）。接下来，研究人员对Psen1-P436S杂合小鼠大脑中的Aβ40和Aβ42进行了酶联免疫吸附检测（ELISA）（图4c-h）。在盐酸胍(GuHCl)可溶性部分中，P436S杂合小鼠的Aβ₄₀减少而Aβ₄₂增加（图4f-h），Aβ₄₂/Aβ₄₀的比率相较野生型小鼠增加了1.7倍。

在使用Tris-HCl缓冲盐溶液时，相类似的实验结果也得到了部分重现（图4c-e）。这些结果表明，在小鼠体内引入Psen1-P436S突变会改变γ-分泌酶的羧肽酶样裂解（γ-裂解）活性。

但值得注意的是，研究人员在Psen1-P436S突变小鼠中未观察到脑中淀粉样蛋白沉积随年龄增大而增加。虽然这样结果与先前报道的Psen1突变敲入小鼠一致，但研究人员仍需要在研究阿尔兹海默病中注意到这些问题^[7]。

图4. 通过BE和Target-AID两种碱基编辑器产生的Psen1-P436S突变小鼠的表型分析。

a.γ-分泌酶对CTF-β的水解处理。CTF-β首先被内肽酶样裂解（ε-裂解），并产生Aβ₄₈和Aβ₄₉，以及APP胞内结构域(AICD)。随后，γ-分泌酶通过羧肽酶样裂解（γ-裂解）裂解Aβ₄₈和Aβ₄₉，生成更短的Aβ。

b.Psen1-P436S杂合小鼠脑中APP全长(FL)蛋白和CTF蛋白的印迹分析。

c-h.Psen1-P436S杂合小鼠大脑的Aβ的ELISA检测。将3个月大的杂合Psen1-P436S小鼠和

同窝的野生型小鼠（每组n=4）的皮质均质化并使用Tris-HCl缓冲盐溶液（TS）（c-e)和盐删除的内容:分为酸胍缓冲液(GuHCl)(f-h)进行溶解并对Aβ40和Aβ42进行ELISA检测。BE：Base Editor 3，TA：Target-AID。

治疗方法

美国时间2021年6月7日，美国FDA宣布Aducanumab（商品名为Aduhelm）通过加速审批程序批准上市，用于治疗阿尔兹海默病患者/阿尔茨海默病人群中特定患者。这是2003年以来获批的首个批注阿尔兹海默症新药；更重要的是，Aducanumab首次在临床试验中显示出了可能降低脑部β淀粉样蛋白的疗效，是首个针对阿尔兹海默症潜在病理机制的新药。但该药在临床试验中出现了关键临床结论不一致的现象^[9]。

除此之外，2020年4月，FDA批准了中国原创、国际首个靶向脑-肠轴的阿尔兹海默症治疗新药（甘露特钠胶囊、九期一、GV-971）。其作用机制是通过调控紊乱的肠道菌群，治疗大脑神经炎症，进而缓解AD认知功能障碍，除此之外，研究人员发还发现该药GV-971能直接透过血脑屏障，通过多位点、多片段、多状态地捕获Aβ，抑制Aβ纤丝的形成，并使已形成的纤丝解聚为无毒单体^[9]。

除此之外，基于蛋白毒性的假说，Arvanis公司利用其蛋白降解靶向嵌合体技术平台（PROTACs）已经开发出具有治疗中枢神经系统疾病潜力的化合物。临床前结果显示，PROTAC分子（外周给药）可显著降低小鼠大脑皮质中致病Tau蛋白的水平^[10]。

图5. PROTAC分子对小鼠模型中Tau蛋白的降解作用^[10]。

小结

对Psen1基因的研究非常火热，因为该基因是引发家族性阿尔兹海默症的一个重要基因，同时，该基因突变的小鼠模型也非常多，有KI点突变小鼠模型以及直接点突变的小鼠，且两种模型的表型类似。

不仅如此，研究人员还发现了在心脑血管中的Psen1基因cKO模型可能与心脏病发生形成有关，这一系列的研究结果都证明了该基因在体内的重要作用。

除此之外，针对该基因或者该基因编辑模型的治疗的相关研究也是十分火热的。更值得一提，近几年的创新药以及许多处于管线中的基因治疗手段，也为该基因的研究注入新动力。