冷凍電鏡揭示g分泌酶復合物三維結構

　　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(cháng)文形式(Article)在線(xiàn)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的精細三維結構，為理解 g-secretase的工作機制以及阿爾茲海默癥(Alzheimer’s Disease, AD)的發(fā)病機理提供了重要線(xiàn)索。

　　阿爾茲海默癥是一類(lèi)神經(jīng)退行性疾病，臨床表現為腦組織切片中出現淀粉樣斑塊，神經(jīng)元逐漸死亡，認知和記憶能力受損，大腦功能逐漸喪失，病人逐漸喪失獨立生活能力，最后腦功能?chē)乐厥軗p直至死亡。美國前總統里根和英國前首相撒切爾夫人都罹患該疾病。據不完全統計，我國目前大約有500萬(wàn)阿爾茲海默癥患者，占世界發(fā)病總數的四分之一。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(lái)沉重的社會(huì )負擔。

　　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合物g -secretase異常切割淀粉樣前體蛋白APP (amyloid precursor protein)而產(chǎn)生過(guò)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的三維結構，并在此基礎上理解其正常工作及致病機理，不僅具有重大科學(xué)意義，也將對阿爾茲海默癥的藥物研發(fā)起到重要的指導作用。

　　然而，膜蛋白的結構生物學(xué)研究極具挑戰性。要進(jìn)行結構鑒定，最關(guān)鍵的一步是獲得純度高、化學(xué)性質(zhì)均一穩定、有活性的g -secretase復合物。施一公在清華大學(xué)建立實(shí)驗室之后立即針對這個(gè)難題啟動(dòng)攻堅。經(jīng)過(guò)大量系統的嘗試，以及對表達和純化方法的不斷改造和優(yōu)化，他們歷經(jīng)數年最終利用瞬時(shí)轉染技術(shù)在哺乳動(dòng)物細胞中成功過(guò)量表達并純化出純度好、性質(zhì)均一、有活性的g -secretase復合體。通過(guò)與英國MRC分子生物學(xué)實(shí)驗室合作，對獲得的復合物樣品進(jìn)行了冷凍電鏡(Cryo-EM)的分析和數據收集，最終獲得了分辨率達到4.5埃的g -secretase復合物三維結構。

　　這項研究成果讓人類(lèi)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)二級結構(a-螺旋和b-折疊)。該結構顯示，g -secretase膜內部分呈馬蹄型，全部19個(gè)跨膜螺旋清晰可辨。在胞外區有一個(gè)分子量較大、分辨率相對更高的結構域，即負責底物識別的 Nicastrin亞基的胞外結構域，其原子結構模型得到構建，并初步顯示出底物結合的可能位點(diǎn)。

　　值得一提的是，膜整合蛋白酶主要負責蛋白質(zhì)受控膜內水解(Regulated Intramembrane Proteolysis, RIP)這一重要生理過(guò)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。這是二十年前被發(fā)現的一個(gè)重要的細胞信號轉導過(guò)程，在從細菌到人類(lèi)的各種生物體內廣泛存在，并參與了生物體發(fā)育、膽固醇代謝、脅迫反應等生命活動(dòng)。膜整合蛋白酶包括三大類(lèi)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(guò)去十年引領(lǐng)著(zhù)蛋白質(zhì)受控膜內水解結構生物學(xué)研究領(lǐng)域的發(fā)展，先后解析了細菌Rhomboid同源蛋白GlpG, 古細菌S2P同源蛋白，以及古細菌Presenilin同源蛋白的晶體結構并揭示了這些膜整合蛋白酶的工作機理。此次獲得的g -secretase復合物的三維結構將該領(lǐng)域又向前推進(jìn)了重要的一步。

　　注釋?zhuān)?

　　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、趙艷雨和周瑞也對本研究做出重要貢獻。