清華施一公研究組取得世界級科研突破
首次揭示阿爾茨海默癥（老年癡呆癥）致病蛋白γ分泌酶復(fù)合物精細三維結(jié)構(gòu)
清華新聞網(wǎng)7月3日電（記者 淑 霞）清華大學(xué)施一公教授研究組在世界上首次揭示了與阿爾茨海默癥（Alzheimer’s Disease，AD）發(fā)病直接相關(guān)的人源γ分泌酶復(fù)合物（γ-secretase）的精細三維結(jié)構(gòu),，為理解γ分泌酶復(fù)合物的工作機制以及阿爾茨海默癥的發(fā)病機理提供了重要線索,，在人類對該病的研究歷史上邁出了關(guān)鍵的一步,，填補了空白。該成果以長文的形式由英國《自然》雜志于6月29日在線發(fā)表,。
圖為人源γ分泌酶復(fù)合物（γ-secretase）的精細三維結(jié)構(gòu),。
施一公教授研究組獲得人源γ分泌酶復(fù)合物（γ-secretase）的精細三維結(jié)構(gòu)之后，立即受到世界科學(xué)界的關(guān)注,，在該成果發(fā)表之前已多次受邀在世界頂尖國際會議上做報告,，引起國際學(xué)術(shù)界的“震驚”，《細胞》,、《科學(xué)》等期刊罕見地主動邀請施一公教授投稿,。
阿爾茨海默癥又稱老年癡呆癥,，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,，最后腦功能嚴重受損直至死亡。美國前總統(tǒng)里根和英國前首相撒切爾夫人都罹患該疾病,。據(jù)不完全統(tǒng)計,，我國目前大約有500萬阿爾茨海默癥患者，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，也同時帶來沉重的社會負擔,。
此前的研究表明,，阿爾茨海默癥的發(fā)生和大腦中淀粉樣斑塊的形成密切相關(guān)。淀粉樣斑塊是由膜整合蛋白酶復(fù)合物γ-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Aβ42肽段所致,。γ-secretase分泌酶復(fù)合物可以理解成細胞膜上的一個蛋白酶體,，或者更通俗地形容為蛋白垃圾粉碎機。它的主要作用是降解細胞膜上的一些蛋白,，把它降解成小的片段,，讓人體再吸收、再利用,。γ-secretase分泌酶復(fù)合物是由四個膜整合蛋白組成的包含19次跨膜螺旋的復(fù)合體,，包括Presenilin （PS1）， Aph-1,， Pen-2和Nicastrin四個亞基,，其中早老素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)在早老素Presenilin上鑒定出150多個與阿爾茨海默癥有關(guān)聯(lián)的氨基酸突變,。因此,，解析γ-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理,，不僅具有重大科學(xué)意義,，也將對阿爾茨海默癥的藥物研發(fā)起到重要的指導(dǎo)作用。
獲得γ分泌酶復(fù)合物（γ-secretase）的三維結(jié)構(gòu)是目前世界生命科學(xué)領(lǐng)域最熱門的研究課題之一,，世界上多達幾十個實驗室都在進行科研攻關(guān),，但十幾年來都未有收獲。膜蛋白的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究極具挑戰(zhàn)性,。要進行結(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γ-secretase復(fù)合物,。施一公教授在清華大學(xué)建立實驗室之后立即針對這個難題啟動攻堅,。經(jīng)過大量系統(tǒng)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(shù)年最終利用瞬時轉(zhuǎn)染技術(shù)在哺乳動物細胞中成功過量表達并純化出純度好,、性質(zhì)均一、有活性的γ-secretase復(fù)合體,。通過與英國MRC分子生物學(xué)實驗室合作,，對獲得的復(fù)合物樣品進行了冷凍電鏡（Cryo-EM）分析和數(shù)據(jù)收集，最終獲得了分辨率達到4.5埃的γ-secretase復(fù)合物三維結(jié)構(gòu),。
這項研究成果讓人類第一次看到了γ-secretase的真實形狀,、組成和幾乎所有的蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)（α-螺旋和β-折疊）。該結(jié)構(gòu)顯示,，γ-secretase膜內(nèi)部分呈馬蹄型,，全部19個跨膜螺旋清晰可辨。在胞外區(qū)有一個分子量較大,、分辨率相對更高的結(jié)構(gòu)域,，即負責底物識別的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,。
施一公教授組之所以能在阿爾茨海默癥研究的世界競爭中勝出，源于他領(lǐng)導(dǎo)的實驗室的長期積累,、實驗室嚴密的科學(xué)訓(xùn)練以及合作者的支持。十年磨一劍,，在過去10年的時間里,，施一公教授研究組引領(lǐng)著整個蛋白質(zhì)受控膜內(nèi)水解（Regulated Intramembrane Proteolysis， RIP）結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究領(lǐng)域的發(fā)展,。
膜整合蛋白酶主要負責蛋白質(zhì)受控膜內(nèi)水解這一重要生理過程,，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)的一個重要的細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程,，在從細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,。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,。他們從細菌研究入手,，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(jié)構(gòu)并揭示了這些膜整合蛋白酶的工作機理,。2007年底全職回到清華后，施一公領(lǐng)導(dǎo)的實驗室將該研究作為最重要的課題,，最終獲得了人源γ-secretase復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu),，將該領(lǐng)域研究又向前推進了重要的一步。
依據(jù)該三維結(jié)構(gòu),，世界科學(xué)界對阿爾茨海默癥的研究將向前跨出一大步,，開啟一個新的研究篇章。施一公教授研究組也將繼續(xù)加深研究領(lǐng)域,，進一步提高γ分泌酶復(fù)合物的分辨率,，捕捉γ-Secretase的完整的工作過程。“將來我們拿到了更高分辨率γ分泌酶復(fù)合物的結(jié)構(gòu),，我們可以非常精細地解釋,，任何一個引起老年癡呆癥突變的氨基酸突變是如何導(dǎo)致γ分泌酶復(fù)合物切割A(yù)β42的肽段，這樣,，我們就可以根據(jù)結(jié)構(gòu)來設(shè)計藥物分子,，這是一種愿景吧”。施一公說,。
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，先后獲得清華大學(xué)學(xué)士和博士學(xué)位后在劍橋MRC分子生物學(xué)實驗室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,。
本工作獲得了科技部、國家自然科學(xué)基金委,、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心的經(jīng)費支持,。
編輯：欣研 襄樺
