全 文 ：918 生命科学 第22卷
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916 生命科学 第22卷
在膜内留下Aβ48和Aβ49，γ分泌酶在 ζ位点对Aβ49
和 Aβ50 进行切割，产生Aβ40 和 Aβ42，但是实验
证明，γ分泌酶切割C99 后不仅产生Aβ40/42，还
产生其他长短不同的Aβ。这表明除了 ε位点和 ζ位
点，还存在多个切割位点，酶可以每3 个氨基酸为
单元进行切割，故切割后的底物形成两个产物系列—
—Aβ49、Aβ46、Aβ43、Aβ40、Aβ37 和 Aβ48、
Aβ45、Aβ42、Aβ39。有研究者提出 Aβ38 的产生
可能和C99的 α螺旋结构有关系，但其产生过程的
研究并不深入[44](图 2)。γ分泌酶切割APP 产生Aβ
的过程精密有序，目前的研究已经逐渐揭示 γ分泌
酶对APP的切割位点和切割机制，但是更加精确的
切割过程还不得而知，我们相信随着对 γ分泌酶拓
扑结构认识的不断深入，这些问题终将会得以阐明。
3.3　γ分泌酶可以作为AD 的治疗靶点
γ分泌酶与Aβ的产生密切相关，阻止或者延迟
Aβ 的产生将有望从根本上治疗 AD，降低 γ 分泌酶
的活性可以实现这个目标，近年来，人们将注意力
转移到研究 γ分泌酶抑制剂的研发上，已经设计并
且开发了许多相应类似化合物，从化学结构上来
看，主要是一些肽拟似物，包括肽醛类、双氟酮
类、羟乙基类、内酰胺类等。现阶段，γ 分泌酶
抑制剂大多只是作为一种工具药来研究 γ分泌酶的
结构和功能，较少应用于临床，这是由于 γ分泌酶
抑制剂存在选择性。选择性较差的 γ分泌酶抑制剂
在抑制Aβ生成的同时，也抑制了Notch 等的切割，
从而导致了严重的毒副作用。虽然 γ分泌酶抑制剂
的应用还存在一些阻碍，但关于它的研究成果还是
为今后的药物研发提供了基础和方向，我们需要开
发选择性和特异性更高的 γ分泌酶抑制剂，使得针
对 Aβ的抑制剂不会影响Notch 等其他 γ分泌酶底
物的代谢，使之真正的发展成为治疗 AD 的有效手
段[46,47]。
4　展望
γ分泌酶是体内重要的膜内切割蛋白酶，它切
割多种 I 型跨膜蛋白，切割产物与 AD 发病、触发
Notch 信号转导级联反应等密切相关。近几年来，
由于 γ分泌酶在体内的重要作用日益凸显，对其结
构和功能的研究也逐渐深入。目前 γ分泌酶的研究
已经取得了一定的进展，但是仍有诸多问题有待于
解决，如 γ 分泌酶四个亚基的相互关系和 γ 分泌酶
切割底物的详细机制等。我们相信，随着研究的逐
渐深入，γ 分泌酶的结构和功能的阐明，将为利用
γ 分泌酶作为 AD 治疗和预防的新靶点提供理论基
础；同时也可利用 γ分泌酶对Notch 信号途径的调
节来决定细胞的命运，从而为调节神经发育和肿瘤
的相关治疗提供有效途径。
[参　考　文　献]
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图2； γ分泌酶切割APP[45]
注：图中橙色代表Aβ48 (A β4 9)，绿色代表AP P- IC D；中间较宽的为APP 跨膜区。γ、ε、ζ 为 γ分泌酶的三个已知的切
割位点，大箭头表示 γ 分泌酶在AP P 跨膜区主要的切割位点；虚线箭头代表 γ 分泌酶切割方向
915第9期 尹肖雯，等：γ 分泌酶结构和功能的研究进展
存在的[22,23]。由于I-Clips家族是在跨膜区对底物进
行切割的蛋白酶，膜内是一个高度疏水的环境，水
分子缺乏，在这样疏水的环境中水解是如何发生的
呢？针对这个问题研究者提出假设，认为只有膜被
破坏水分子进入其中底物才可以进行水解，后来该
假设被否定[24-26]。真正可能的机制是在PS1亚基里
有一个“含水腔隙”(water-containing cavity)，可
以提供水分子，使得 γ分泌酶在膜内对底物的切割
成为可能。2006年，Lazarov 等[27]用电镜发现了 γ
分泌酶包含一个较大的球形结构，球形结构的底部
和顶部有小的“出口”，一个朝向胞外间隙，一
个朝向细胞质，“出口”中间的腔隙充满水分子，
底物切割即在这里发生，这些小的“出口”被认
为是切割后的产物在含水空腔的出口位点。最近的
两个关于“含水腔隙”的研究提出：P S 1 亚基的
TMD 6 和 TMD 7，尤其是位于 TMD7 的 GXG D 结构
域附近的一些残基是可以俘获水分子的，这说明
T M D 6 、T M D 7 及一些氨基酸残基都动态的参与
“含水腔隙”的构成，γ 分泌酶的活性中心即位于
脂质双分子层中的含水腔隙内[28]。此外，TMD9 也
是一个比较灵活的结构，可能与底物从最初结合位
点运送至 PS 催化基团的过程有关，位于 TMD9 胞
质侧的保守结构域PAL(proline-alanine-leucine)部分地
参与“含水腔隙”的组成，因为该结构域被检测
到和TMD6 中的活性位点Asp257 是相互交联的[29]。
PS 亚基的“含水腔隙”作用十分重要，它同 γ 分
泌酶底物切割的机制息息相关，它的发现也为 γ分
泌酶切割的研究提供了重要依据。
3　γ 分泌酶和AD 的关系
3.1　β、γ 分泌酶通过膜内切割释放Aβ
AD是当今高发的一种慢性中枢神经系统退行性
疾病，严重威胁人们的健康。AD 的主要致病物质
是 β淀粉样蛋白(Aβ)聚合产生的纤维沉积，降低Aβ
的量是治疗和预防AD 的重要环节，而Aβ的前体蛋
白是APP，故对 APP 代谢途径的研究就成为 AD 研
究的基础。A P P 的加工过程是系统膜内蛋白酶解
(regulated intramembrane proteolysis, RIP)的典型范
例，系统膜内蛋白酶解描述的是对单次跨膜蛋白顺
次切割的过程，这个过程往往同核内信号转导相偶
联[30]。系统膜内蛋白酶解的第一步是在脱落酶的作
用下脱落底物较大的细胞外域，大部分脱落酶属于
ADAM(a disintegrin and metalloprotease)家族[31]，切
割后的底物被膜内切割蛋白酶I-CliPs在其跨膜区再
度切割[32]，产生膜内片段(ICD)，ICD 与核内信号
转导及转录调控有关[33]。对 APP 来说，发挥脱落
酶作用的是β分泌酶(β-site APP-cleaving enzyme1,
BACE1)。该酶首先在第 671 位切割 APP，脱落较
大的细胞外域即产生分泌性片段APPs-β，并在细胞
膜上留下99个氨基酸残基的片段C99，而C99直接
被 γ分泌酶切割产生Aβ和AICD(APP-ICD)。Aβ包
括 Aβ40 和 Aβ42，分泌的 Aβ 大多是 Aβ40，约占
分泌总量的 90%；而 Aβ42 占 10%，但后者有更强
的疏水性和更强的神经毒性，比 Aβ40 更容易发生
聚积，是与 AD 发生最相关的物质。实验证明当体
内 Aβ 总量降低，Aβ42 降低，但 Aβ42/Aβ40 却升
高时，仍然可以导致淀粉样蛋白的沉积[34]，对脑神
经元产生一系列的毒害，造成脑神经元的损伤，这
是目前公认的导致 AD 发生、发展的起始原因和共
同通路[35,36]。Aβ的产生可以被α分泌酶对APP的切
割阻断，因为 α 分泌酶可以和 β 分泌酶竞争 APP，
切割APP 后产生分泌性片段APPs-a 和 83 个氨基酸
残基片段C83，α分泌酶和 β 分泌酶对APP 的作用
是此消彼长[37,38]。
3.2　γ分泌酶对APP的切割是一个膜内有序的切
割过程
APP经过 β分泌酶的切割，在细胞膜上留下99
个氨基酸残基的片段C99，C99 在被 γ分泌酶的催
化亚基PS 切割之前，要先被底物受体 NCT 初步识
别。NCT 是 γ 分泌酶的重要亚基，成熟的 NCT 由
709 个氨基酸组成，包括短亲水C 端、一个N 端信
号肽和一个由20个氨基酸构成的亲脂跨膜区[39]，在
γ 分泌酶的酶切过程中发挥底物识别的作用[ 1 3 ]。
Saha 在实验中发现，NCT和底物的结合可以被底物
氨基端抗体阻断，而羧基端抗体对此无影响，据此
初步说明 NC T 可以和底物的 N 端进行结合。NC T
与底物结合之后，将底物运送至停泊位点(docking
site)，目前对于停泊位点的研究并不深入，现认为
该位点位于 PS1 亚基的活性位点附近，GXGD 结构
域可能参与了这个位点的组成，它可以对底物进行
最后的识别和确认，然后再将底物运送至PS1进行
切割[40]。C99 被运送至PS1 后，γ分泌酶要在多个
位点对其进行切割，目前知道的切割位点命名为
ε、γ和 ζ位点[41,42]。ε位点位于跨膜区的近胞质侧，
在γ位点下游10个氨基酸左右，空间上与切割Notch
的位点很相邻[43]，ζ位点位于其间。C99在跨膜区的
存在形式是α螺旋，γ分泌酶先在 ε位点切割C99后
释放两段APP-ICD ——AICD49~99 和 AICD50~99，
914 生命科学 第22卷
合体中不能同时出现[6,7]，故人体内至少存在6种不
同组成的 γ 分泌酶，且各型分泌酶的功能有所不
同。APH1a 型和APH1b 型 γ分泌酶在底物识别特异
性方面有细微差别[8]，PS1型比PS2型 γ分泌酶有更
高的APP 识别特异性[9-11]。
γ分泌酶四个亚基功能各异，PS 是催化亚基，
有切割底物的功能，它发生突变是阿尔茨海默病
(AD)发病的重要原因[12]；NCT 发挥着“底物受体”
的作用，即 γ 分泌酶的底物被 PS 切割之前，要先
被 NCT 特异识别并结合[13]；APH1 和 PEN2 是两个
较小的亚基。APH1是 γ分泌酶复合体组装过程中的
“支架”，能够稳定有活性的 P S 。最新的研究发
现，APH1 跨膜区两个保守的组氨酸 H171 和 H197
对 γ分泌酶的切割活性以及酶底物间的有效结合发
挥重要作用[14]。PEN2是 γ分泌酶成熟并且具备切割
活性的必要条件[8]。传统的观点认为γ分泌酶的四个
亚基缺一不可，但最新的研究却发现仅 P S 1 、
APH1a、PEN2 三亚基构成的 γ分泌酶也依然可以切
割APP 和Notch，NCT 仅发挥稳定 γ分泌酶复合体
的作用，对底物的识别并不是必需的[15]。
γ分泌酶切割Notch产生的膜内片段可以参与核
内信号转导，进而调节生长发育；切割 APP 产生
的Aβ与阿尔茨海默病发病密切相关，γ分泌酶在体
内发挥重要作用，所以，想要深入探究这些生理病
理过程的发生发展，深入了解 γ分泌酶的结构和功
能是十分必要的。本文综述了近年来有关 γ分泌酶
结构和功能的一些研究进展，并且指出这些进展对
AD 的药物靶向治疗和预防的重要意义。
1　γ 分泌酶是GXGD 型天冬氨酰蛋白酶
γ分泌酶是具有膜内切割功能的天冬氨酰蛋白
酶，传统的天冬氨酰蛋白酶都包含一个D(T/S)G(T/
S)结构域，而 γ分泌酶并不包括此结构域，取而代
之的是一个非典型的 GXGD 结构域，PS 亚基 C 末
端的活性位点位于其中[16]，G代表组成该结构域的
两个重要的甘氨酸，X 是可以变化的 1 ~ 2 个氨基
酸。GXGD 结构域 N 端的甘氨酸残基 G382 是 γ 分
泌酶 PS 亚基活性位点的重要组成部分，用其他不
同的氨基酸取代 G382，可以观察到 γ 分泌酶活性
的降低，这种情况至少存在于 γ 分泌酶对 A P P 、
Notch、CD44 的酶切过程中。GXGD 结构域 C 端
的甘氨酸残基G384对 γ分泌酶的活性有无也有决定
性作用[17]。GXGD 的 X 位点上氨基酸的不同会影响
酶和底物的结合，如果 X 是一个苯丙氨酸，可以
使 PS 亚基构象发生细微变化，这种变化虽然不影
响 γ分泌酶与APP的结合，却极大地影响酶与Notch
的结合。在天冬氨酰蛋白酶家族中，也有其他成员
拥有GXGD结构域，比如信号肽酶SPP(signal pep-
tide peptidase)和类SPP酶SPPL(SPP-Like)，这些蛋
白酶都因拥有 GXGD 结构域而被称为 GXGD 型天冬
氨酰蛋白酶。由于 GXGD 的缺失或突变会使 γ 分泌
酶的催化活性消失，故 GXGD 在 γ 分泌酶的催化活
性和底物识别方面有十分重要的作用[18]，但具体作
用机制还有待于研究。GXGD 的发现是 γ 分泌酶结
构研究中的一个突破，进一步推动了人们对 γ分泌
酶切割机制和过程的探究。
2　PS1亚基的催化机制
在 γ分泌酶的四个亚基中，人们对PS1 的研究
最为深入。它由 476 个氨基酸组成，具有 10 个疏
水区(hydrophobic domain)HD1~10、9个跨膜结构域
(transmembrane domain)TMD1~9[19]，其中TMD6和
TMD7 之间有一个较大的亲水环，HD7 位于其中(图
1)。PS1 的催化基团包含两个高度保守的天冬氨酸
残基Asp257 和 Asp385，分别位于TMD6 和 TMD7，
发挥切割底物的功能，突变其中任何一个都能导致
γ分泌酶活性的降低或缺失，并显著降低 Aβ 的产
量[21]。在生物体中，PS1首先以无活性的全蛋白形
式分泌，再经分子内部水解，裂解为由 ~20 k 的
PS1-CTF 和 ~30 k 的 PS1-NTF 构成的异源二聚体。
分子内部水解发生在 TMD6 和 TMD7 之间亲水环上
的 H D 7，故生物体内几乎检测不到全蛋白形式的
PS1，有催化活性的PS1 都是以异源二聚体的形式
图1 PS1亚基的拓扑结构[20]
注：1 ~ 1 0 为 P S 1 亚基的 1 0 个疏水区，1 ~ 6 对应
TM D1 ~ T MD 6，8 ~1 0 对应 TM D 7 ~T M D 9；C 为 P S 1 亚基 C
末端，位于细胞外区；N 为 PS 1 亚基 N 末端，位于胞质侧。
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第22卷 第9期
2010年9月
Vol. 22, No. 9
Sep., 2010
文章编号 ：1004-0374(2010)09-0913-06
收稿日期：2010-02-26；修回日期：2010-03-10
*通讯作者：E-mail: houqiliu@126.com
γ分泌酶结构和功能的研究进展
尹肖雯，刘厚奇*
(第二军医大学组织胚胎学教研室，上海 200433)
摘 要：γ分泌酶是膜整合蛋白酶复合体，可以切割多种 I 型跨膜蛋白，近年来由于它与阿尔茨海默病
发病密切相关而受到广泛关注。γ 分泌酶介导的膜内切割是一个非常复杂的过程，这和它复杂的内部结
构和作用机制有关。最新的研究表明 γ 分泌酶 PS 亚基的活性位点附近有一个GX G D 结构域，它对于 γ
分泌酶的催化活性有重要作用；“ 含水腔隙 ” 的发现使 γ分泌酶在高度疏水的脂质双分子层内的底物切割
成为可能。该文综述了近年来 γ分泌酶结构和功能的研究进展，阐述了 γ分泌酶切割淀粉样蛋白前体APP
释放淀粉样蛋白 Aβ 的过程，并且指出了 γ分泌酶结构功能的研究进展对阿尔茨海默病治疗的重要意义。
关键词：γ 分泌酶；G X G D 结构域；含水腔隙；底物切割；阿尔茨海默病
中图分类号：R745.7；R322.85　　文献标识码：A
Research progresses on the structure and function of γ-secretase
YIN Xiao-wen, LIU Hou-qi*
(Department of Histology and Embryology, Second Military Medical University, Shanghai 200433, China)
Abstract: γ-secretase is a multiprotein complex responsible for the intramembrane cleavage of type I transmem-
brane proteins. Research on Alzheimer’s disease pathogenesis lead to the identification of γ-secretase, because
it mediates the final proteolytic cleavage, which liberates amyloid β-peptide (Aβ), the major component of senile
plaques in the brain of Alzheimer’s disease patients. It was recently found that a GXGD motif around the active
sites of PS is important for the γ-secretase-cleavage and the water-containing-cavity made the intramembrane
cleavage in the highly hydrophobic environment possible. This article reviews the latest research progresses on
the structure and function of γ-secretase and the cleavage of APP, which releases Aβ. γ-secretase is the potential
drug target for Alzheimer’s disease.
Key words: γ-secretase; GXGD motif; water-containing-cavity; substrate-cleavage; Alzheimer’s disease
γ分泌酶是膜内切割蛋白酶家族(intramembrane-
cleaving-proteases, I-Clips)的成员，该家族的酶都可
以在脂质双分子层内部催化肽键水解[1]。γ分泌酶广
泛存在于体内的组织细胞中，可以切割多种I 型跨
膜蛋白，如 β- 淀粉样多肽的前体蛋白APP、Notch
蛋白家族、CD44 和 E- 钙黏蛋白等。生物化学及基
因方面的证据表明：γ分泌酶由四个亚基组成，它
们分别为PS(presenilin)、NCT(nicastrin)、APH1
(anterior-pharynx-defective-1)和PEN2(presenilin en-
hancer-2)[2]，四个亚基按照1:1:1:1的比例组合，空
间排列紧密有序。研究者在没有内源性 PS、NCT、
A P H 1、P E N 2 的酵母菌中表达人类 P S、N C T 、
APH1 和 PEN2，并导入 γ分泌酶的底物，可以观察
到底物的降解，该现象强有力地证明仅四个亚基完
全可以组合成有活性的 γ分泌酶[3,4]。天冬氨酰蛋白
酶所催化的反应中间物类似物能够抑制 γ分泌酶的
活性，这显示了该酶的天冬氨酰蛋白酶特性[5]。人
类PS 亚基有PSI 和 PS2 两种亚型，APH1 也有两个
亚型APH1a 和 APH1b。其中APH1a 又因C 末端长短
不同存在两种剪接变体：APH1aL(long)和 APH1aS
(short)。由于PS和APH1亚基的不同亚型在一个复