冷凍電鏡揭示g分泌酶復(fù)合物三維結(jié)構(gòu)

　　清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院施一公研究組在《自然》(Nature)雜志以長(zhǎng)文形式(Article)在線發(fā)表了題為“Three dimensional structure of human g-secretase”的科研論文，在世界上首次報(bào)道了與阿爾茲海默癥(老年癡呆癥)發(fā)病直接相關(guān)的人源g-secretase的精細(xì)三維結(jié)構(gòu)，為理解 g-secretase的工作機(jī)制以及阿爾茲海默癥(Alzheimer’s Disease, AD)的發(fā)病機(jī)理提供了重要線索。

　　阿爾茲海默癥是一類神經(jīng)退行性疾病，臨床表現(xiàn)為腦組織切片中出現(xiàn)淀粉樣斑塊，神經(jīng)元逐漸死亡，認(rèn)知和記憶能力受損，大腦功能逐漸喪失，病人逐漸喪失獨(dú)立生活能力，最后腦功能嚴(yán)重受損直至死亡。美國(guó)前總統(tǒng)里根和英國(guó)前首相撒切爾夫人都罹患該疾病。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)目前大約有500萬阿爾茲海默癥患者，占世界發(fā)病總數(shù)的四分之一。由于缺乏特效藥物，該疾病不但給病人及家屬造成極大痛苦，也同時(shí)帶來沉重的社會(huì)負(fù)擔(dān)。

　　阿爾茲海默病的發(fā)生和大腦中淀粉樣斑塊的形成密切相關(guān)

　　研究證明：淀粉樣斑塊是由膜整合蛋白酶復(fù)合物g -secretase異常切割淀粉樣前體蛋白APP (amyloid precursor protein)而產(chǎn)生過量易聚集的Ab42肽段所致。g -secretase是由四個(gè)膜整合蛋白組成的包含19次跨膜螺旋的復(fù)合體，包括早老素Presenilin (PS1), Aph-1, Pen-2和Nicastrin四個(gè)亞基，其中Presenilin是執(zhí)行酶活功能的膜整合蛋白酶(intramembrane protease)活性亞基。目前已經(jīng)在Presenilin上鑒定出一百多個(gè)與阿爾茲海默癥有關(guān)聯(lián)的氨基酸突變。解析g -secretase的三維結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上理解其正常工作及致病機(jī)理，不僅具有重大科學(xué)意義，也將對(duì)阿爾茲海默癥的藥物研發(fā)起到重要的指導(dǎo)作用。

　　然而，膜蛋白的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究極具挑戰(zhàn)性。要進(jìn)行結(jié)構(gòu)鑒定，最關(guān)鍵的一步是獲得純度高、化學(xué)性質(zhì)均一穩(wěn)定、有活性的g -secretase復(fù)合物。施一公在清華大學(xué)建立實(shí)驗(yàn)室之后立即針對(duì)這個(gè)難題啟動(dòng)攻堅(jiān)。經(jīng)過大量系統(tǒng)的嘗試，以及對(duì)表達(dá)和純化方法的不斷改造和優(yōu)化，他們歷經(jīng)數(shù)年最終利用瞬時(shí)轉(zhuǎn)染技術(shù)在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中成功過量表達(dá)并純化出純度好、性質(zhì)均一、有活性的g -secretase復(fù)合體。通過與英國(guó)MRC分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室合作，對(duì)獲得的復(fù)合物樣品進(jìn)行了冷凍電鏡(Cryo-EM)的分析和數(shù)據(jù)收集，最終獲得了分辨率達(dá)到4.5埃的g -secretase復(fù)合物三維結(jié)構(gòu)。

　　這項(xiàng)研究成果讓人類第一次看到了g-secretase的真實(shí)形狀、組成、和幾乎所有的蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)(a-螺旋和b-折疊)。該結(jié)構(gòu)顯示，g -secretase膜內(nèi)部分呈馬蹄型，全部19個(gè)跨膜螺旋清晰可辨。在胞外區(qū)有一個(gè)分子量較大、分辨率相對(duì)更高的結(jié)構(gòu)域，即負(fù)責(zé)底物識(shí)別的 Nicastrin亞基的胞外結(jié)構(gòu)域，其原子結(jié)構(gòu)模型得到構(gòu)建，并初步顯示出底物結(jié)合的可能位點(diǎn)。

　　值得一提的是，膜整合蛋白酶主要負(fù)責(zé)蛋白質(zhì)受控膜內(nèi)水解(Regulated Intramembrane Proteolysis, RIP)這一重要生理過程，即跨膜肽鏈在磷脂雙分子層中被膜整合蛋白酶水解剪切的反應(yīng)。這是二十年前被發(fā)現(xiàn)的一個(gè)重要的細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程，在從細(xì)菌到人類的各種生物體內(nèi)廣泛存在，并參與了生物體發(fā)育、膽固醇代謝、脅迫反應(yīng)等生命活動(dòng)。膜整合蛋白酶包括三大類蛋白，即絲氨酸蛋白酶Rhomboid, 金屬蛋白酶S2P以及天冬氨酸蛋白酶Presenilin和SPP。施一公研究組在過去十年引領(lǐng)著蛋白質(zhì)受控膜內(nèi)水解結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究領(lǐng)域的發(fā)展，先后解析了細(xì)菌Rhomboid同源蛋白GlpG, 古細(xì)菌S2P同源蛋白，以及古細(xì)菌Presenilin同源蛋白的晶體結(jié)構(gòu)并揭示了這些膜整合蛋白酶的工作機(jī)理。此次獲得的g -secretase復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)將該領(lǐng)域又向前推進(jìn)了重要的一步。

　　注釋：

　　該論文的第一作者盧培龍是生命學(xué)院博士研究生。共同第一作者白曉晨博士曾經(jīng)師從生命學(xué)院隋森芳院士，獲得清華大學(xué)博士學(xué)位后在劍橋MRC分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室Sjors H.W. Sheres課題組從事博士后研究。共同第一作者馬丹也是生命學(xué)院博士研究生。此外，清華大學(xué)生命學(xué)院在讀博士研究生謝田、閆創(chuàng)業(yè)、孫林峰、楊光輝、趙艷雨和周瑞也對(duì)本研究做出重要貢獻(xiàn)。