β-секретаза¶

β-секретаза (также известная как BACE1, от англ. beta-site APP cleaving enzyme 1) — это мембраносвязанная аспарагиновая протеаза, которая катализирует первое протеолитическое расщепление белка-предшественника амилоида (APP) в процессе образования β-амилоидных пептидов. Относится к классу гидролаз, подклассу пептидаз, и играет ключевую роль в патогенезе болезни Альцгеймера. β-секретаза является одной из двух секретаз (наряду с γ-секретазой), участвующих в амилоидогенном пути процессинга APP.

¶История открытия

Ген, кодирующий β-секретазу, был идентифицирован в 1999 году независимо несколькими исследовательскими группами. Первоначально фермент был назван BACE (β-site APP cleaving enzyme). В 2000 году была установлена его кристаллическая структура, что позволило понять механизм катализа. До открытия BACE1 существование β-секретазы постулировалось на основе наблюдений за накоплением β-амилоида в мозге пациентов с болезнью Альцгеймера, но сам фермент долгое время оставался неизвестным.

¶Структура и локализация

¶Молекулярная структура

β-секретаза представляет собой трансмембранный белок типа I, состоящий из:

• N-концевого каталитического домена (расположенного внеклеточно или в просвете эндоплазматического ретикулума);
• трансмембранного домена (якорь в мембране);
• короткого C-концевого цитоплазматического домена.

Каталитический домен содержит два консервативных мотива Asp-Thr-Gly (DTG) и Asp-Ser-Gly (DSG), характерных для аспарагиновых протеаз. Активный центр образован двумя остатками аспарагиновой кислоты (Asp32 и Asp228 в человеческом BACE1), которые координируют молекулу воды для гидролиза пептидной связи.

¶Тканевая экспрессия

BACE1 экспрессируется во всех тканях организма, но наиболее высокая активность наблюдается в головном мозге, особенно в нейронах. В меньшей степени фермент присутствует в поджелудочной железе, почках, селезёнке и других органах. У человека существует также гомолог BACE2, который экспрессируется преимущественно в периферических тканях и не играет значительной роли в амилоидогенезе.

¶Субклеточная локализация

β-секретаза локализуется в мембранах эндоплазматического ретикулума, аппарата Гольджи, эндосом и плазматической мембраны. Оптимальная активность фермента наблюдается в кислой среде (pH 4,0–5,0), что характерно для эндосом и поздних компартментов Гольджи.

¶Биологическая функция

Основная известная функция β-секретазы — инициация амилоидогенного пути процессинга APP. APP — это трансмембранный белок, который в норме расщепляется α-секретазой (неамилоидогенный путь), что приводит к образованию растворимых фрагментов. При альтернативном пути β-секретаза отщепляет N-концевой фрагмент APP (sAPPβ), оставляя мембраносвязанный C-концевой фрагмент (C99). Затем γ-секретаза расщепляет C99, высвобождая β-амилоидные пептиды различной длины (преимущественно Aβ40 и Aβ42).

Помимо APP, β-секретаза имеет ряд других субстратов, включая:

• белки, участвующие в миелинизации (например, нейрегулин-1);
• рецепторы клеточной адгезии;
• ионные каналы;
• факторы роста.

Это указывает на участие фермента в регуляции нейрональной пластичности, синаптической передачи и развития нервной системы.

¶Роль в патологии

¶Болезнь Альцгеймера

β-секретаза является ключевым ферментом в амилоидной гипотезе болезни Альцгеймера. Согласно этой гипотезе, накопление токсичных β-амилоидных пептидов (особенно Aβ42) в головном мозге запускает каскад патологических процессов, включая образование амилоидных бляшек, нейрофибриллярных клубков, нейровоспаление и гибель нейронов. Повышенная активность BACE1 была обнаружена в мозге пациентов с болезнью Альцгеймера, а также в моделях на животных.

¶Другие заболевания

Нарушения в работе β-секретазы связаны с рядом других патологий:

• Синдром Дауна — из-за трисомии 21-й хромосомы (на которой расположен ген APP) наблюдается повышенное образование β-амилоида, что объясняет раннее развитие болезни Альцгеймера у таких пациентов.
• Шизофрения — некоторые исследования указывают на изменение экспрессии BACE1 в префронтальной коре.
• Глиобластома — в опухолевых клетках зафиксирована аномальная активность β-секретазы, влияющая на миграцию и инвазию.

¶Ингибиторы β-секретазы

Разработка ингибиторов β-секретазы (BACE-ингибиторов) долгое время считалась перспективным направлением терапии болезни Альцгеймера. Однако клинические испытания столкнулись с рядом проблем:

¶Типы ингибиторов

• Пептидомиметики — соединения, имитирующие структуру субстрата (например, OM99-2).
• Малые молекулы — непептидные ингибиторы, проникающие через гематоэнцефалический барьер (например, верубецестат, атабецестат).

¶Клинические испытания

На 2023 год ни один ингибитор BACE1 не был одобрен для медицинского применения. Основные причины неудач:

• Токсичность — ингибирование BACE1 нарушает процессинг других субстратов (например, нейрегулина-1), что приводит к побочным эффектам, включая нарушения миелинизации, когнитивные расстройства и изменения в периферических тканях.
• Низкая эффективность — даже при значительном снижении уровня β-амилоида в плазме и спинномозговой жидкости, клиническое улучшение у пациентов с уже развившейся деменцией не наблюдалось.
• Позднее начало лечения — предполагается, что ингибиторы могут быть эффективны только на доклинической стадии болезни Альцгеймера, что требует ранней диагностики.

¶Перспективы

Современные исследования сосредоточены на:

• создании селективных ингибиторов, не затрагивающих BACE2;
• разработке модуляторов активности BACE1 (например, аллостерических ингибиторов);
• комбинированной терапии с другими препаратами (например, антителами к β-амилоиду).

¶Интересные факты

• Ген BACE1 расположен на 11-й хромосоме человека (локус 11q23.3).
• У мышей нокаут по гену BACE1 приводит к полному отсутствию продукции β-амилоида, но также вызывает нарушения в миелинизации периферических нервов и снижение выживаемости.
• В 2012 году была обнаружена новая изоформа BACE1 — BACE1-485, которая лишена трансмембранного домена и секретируется в межклеточное пространство, однако её функция остаётся неясной.
• Некоторые природные соединения, такие как куркумин и ресвератрол, проявляют слабую ингибирующую активность в отношении β-секретазы в лабораторных условиях.

¶Источники

• Vassar R., Bennett B.D., Babu-Khan S., et al. Beta-secretase cleavage of Alzheimer's amyloid precursor protein by the transmembrane aspartic protease BACE. Science, 1999.
• Sinha S., Anderson J.P., Barbour R., et al. Purification and cloning of amyloid precursor protein beta-secretase from human brain. Nature, 1999.
• Yan R., Bienkowski M.J., Shuck M.E., et al. Membrane-anchored aspartyl protease with Alzheimer's disease beta-secretase activity. Nature, 1999.
• Hong L., Koelsch G., Lin X., et al. Structure of the protease domain of memapsin 2 (beta-secretase) complexed with inhibitor. Science, 2000.
• De Strooper B., Vassar R., Golde T. The secretases: enzymes with therapeutic potential in Alzheimer disease. Nature Reviews Neurology, 2010.
• Moussa C.E. Beta-secretase (BACE1) inhibitors for the treatment of Alzheimer's disease: a review of recent patents. Expert Opinion on Therapeutic Patents, 2017.
• Kandalepas P.C., Vassar R. Identification and biology of β-secretase. Journal of Neurochemistry, 2012.