BACE1的表达对于海马区突触囊的正常动态功能是必需的

《Journal of Neurochemistry》：BACE1 Expression Is Required for Proper Synaptic Vesicle Dynamics in the Hippocampus

β-淀粉样蛋白（Aβ）生成关键酶BACE1的抑制可能通过影响突触前蛋白表达和vesicle释放-回收动态损害突触功能。本研究利用spH荧光传感器模型，发现BACE1缺乏小鼠海马CA1/CA3区突触释放效率降低50%，且突触回收延迟显著。转录组学分析显示，BACE1抑制导致 syntaxin、synaptotagmin等突触蛋白表达下调，并激活neurexin-neuroligin信号通路。讨论指出BACE1可能通过调控突触前膜蛋白影响突触稳态，提示BACE1抑制剂需平衡Aβ清除与突触保护。

　　BACE1（β-site amyloid precursor protein cleaving enzyme 1）是阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）治疗中备受关注的一个靶点。它作为β-分泌酶，负责在神经元中启动淀粉样前体蛋白（amyloid precursor protein, APP）的切割，从而生成β-淀粉样肽（β-amyloid peptide, Aβ）。Aβ被认为是阿尔茨海默病的主要致病因子之一，因此，抑制BACE1的活性被视为一种潜在的治疗策略。然而，尽管多个临床试验已经尝试使用能够穿透血脑屏障的BACE1抑制剂，但多数试验未能取得预期的疗效，甚至出现了一些不良反应。这提示我们，BACE1在神经元中的功能可能不仅仅是生成Aβ，还涉及多个与突触功能相关的分子过程。

为了更深入地理解BACE1在突触活动中的作用，研究人员利用了基因编码的光学指示剂——synapto-pHluorin（spH）来监测突触小泡的释放和回收动态。spH是一种由绿色荧光蛋白（GFP）与突触小泡相关蛋白synaptotagmin融合而成的探针。在突触小泡的酸性环境中，spH的荧光信号会被淬灭，而在小泡释放后，由于接触中性环境，荧光信号会增强，随后随着小泡回收和再酸化，荧光信号逐渐恢复。这一技术使得研究人员能够在活体或切片中实时观察突触活动的变化。

本研究通过将BACE1缺陷小鼠（Bace1KO）与表达spH的小鼠（Thy1-spH）进行杂交，生成了Bace1KO-spH和WT-spH两个模型，用于比较BACE1缺失对突触小泡释放和回收的影响。结果表明，在BACE1缺失的小鼠中，无论是CA1区还是CA3区，spH信号的峰值幅度都显著降低。这说明BACE1的缺失可能导致突触小泡释放能力的下降。此外，在刺激结束后，BACE1缺失小鼠的spH信号恢复时间明显延长，表明其突触小泡回收过程受到抑制。这些发现提示我们，BACE1在维持正常的突触功能中扮演着重要角色。

为了进一步揭示BACE1缺失如何影响突触功能，研究人员进行了转录组分析，比较了BACE1缺失小鼠与对照组在突触相关基因表达上的差异。结果显示，多个关键的突触结构和功能相关的基因表达水平显著下降，包括piccolo（Pclo）、activity-regulated cytoskeleton-associated protein（Arc）、syntaxin-binding protein 1（Stxbp1）、synapsin-2（Syn2）、syntaxin-1（Syn1）以及synaptotagmin-11（Syt11）。这些基因的表达下调可能与突触小泡释放和回收能力的下降密切相关。

值得注意的是，这些突触相关基因的表达变化在多个层面得到了验证。例如，通过Western blot实验，研究人员检测了这些蛋白在BACE1缺失小鼠中的表达水平，发现Pclo、Ppp1r9b、Syn2和Arc的蛋白水平均显著下降，而Syt1和Syp的表达未见明显变化。这可能意味着，尽管某些基因的表达受到BACE1缺失的影响，但它们的蛋白水平可能受到其他调控机制的影响，或者这些蛋白在突触功能中的作用并不完全依赖于其基因表达水平。

为了更全面地理解BACE1在突触功能中的作用，研究人员还对多个信号通路进行了分析。其中，neurexin-neuroligin通路被发现是BACE1缺失后显著下调的通路之一。这一通路在突触的形成和功能调节中起着重要作用，包括突触小泡的定位、释放以及回收过程。BACE1可能通过切割neurexin和neuroligin等关键蛋白，影响这些通路的正常运作。此外，Syt11、Stxbp1等蛋白的表达变化也与突触功能的异常密切相关。

这些发现不仅有助于我们理解BACE1在突触功能中的作用，也为BACE1抑制剂在阿尔茨海默病治疗中的副作用提供了新的解释。许多临床试验失败的原因可能与BACE1在突触功能中的广泛作用有关，而不仅仅是其对Aβ生成的影响。因此，在开发新的BACE1抑制剂时，必须更加关注其对突触结构和功能的潜在影响，以避免不必要的副作用。

此外，研究人员还讨论了BACE1在其他神经系统疾病中的潜在作用。例如，BACE1的缺失可能导致突触小泡池的缩小，这可能影响神经元之间的信息传递效率。这种变化在某些情况下可能导致认知功能的下降，甚至与癫痫等神经系统疾病相关。这些发现提示我们，BACE1在维持神经系统的正常功能中具有重要作用，其抑制可能带来更广泛的神经功能影响。

综上所述，BACE1在突触小泡的释放和回收过程中起着关键作用。其缺失不仅影响了突触小泡的定位和释放，还导致了多个突触相关蛋白的表达下调，进而影响了突触的结构和功能。这些结果为BACE1抑制剂在阿尔茨海默病治疗中的应用提供了重要的理论依据，也提示我们，未来的研究需要更加关注BACE1在神经系统中的多方面作用，以优化其作为治疗靶点的策略。