施一公研究組在《基因與發(fā)育》發(fā)表論文
報(bào)道哺乳動(dòng)物凋亡復(fù)合體原子分辨率結(jié)構(gòu)
清華新聞網(wǎng)11月11日電 11月6日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院施一公教授研究組在《基因與發(fā)育》（Gene & Development）在線發(fā)表題為《凋亡復(fù)合體原子分辨率結(jié)構(gòu)：細(xì)胞色素c和dATP激活凋亡蛋白酶活化因子1的分子機(jī)制》（Atomic structure of the apoptosome: mechanism of cytochrome c- and dATP-mediated activation of Apaf-1）的研究論文，報(bào)道了哺乳動(dòng)物凋亡復(fù)合體（apoptosome）的高分辨率電鏡結(jié)構(gòu)，并通過(guò)結(jié)構(gòu)比對(duì)和生化分析揭示了細(xì)胞色素c和dATP激活A(yù)paf-1的分子機(jī)制。
細(xì)胞凋亡（apoptosis）又名程序性細(xì)胞死亡，在多細(xì)胞動(dòng)物發(fā)育過(guò)程中扮演著重要角色，參與了形態(tài)發(fā)生（例如脊椎動(dòng)物指間蹼的消失）、臨時(shí)器官退化（例如男性生殖系統(tǒng)發(fā)育過(guò)程中，中腎旁管的消失）以及組織形成（調(diào)控組織中不同類(lèi)型細(xì)胞的數(shù)目）等許多過(guò)程。細(xì)胞凋亡在維持多細(xì)胞動(dòng)物內(nèi)穩(wěn)態(tài)平衡中起著關(guān)鍵作用。凋亡被抑制是腫瘤細(xì)胞得以生長(zhǎng)的一個(gè)重要條件，而凋亡的錯(cuò)誤啟動(dòng)參與了神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生。
由于細(xì)胞凋亡和許多人類(lèi)疾病相關(guān)，從上世紀(jì)90年代開(kāi)始，研究人員展開(kāi)了對(duì)人細(xì)胞凋亡分子機(jī)制的研究。至90年代末，已經(jīng)基本描繪出該過(guò)程所涉及的信號(hào)傳導(dǎo)通路。許多參與這些信號(hào)通路的分子成為潛在的藥物靶點(diǎn)。對(duì)于結(jié)構(gòu)生物學(xué)家來(lái)說(shuō)，通過(guò)結(jié)構(gòu)生物學(xué)方法解析細(xì)胞凋亡信號(hào)通路中關(guān)鍵蛋白的結(jié)構(gòu)、研究信號(hào)傳導(dǎo)過(guò)程中分子間的相互作用，有助于我們理解細(xì)胞凋亡的分子機(jī)理、尋找可能的成藥化合物。
凋亡蛋白酶活化因子1（Apaf-1）就是參與人內(nèi)源性細(xì)胞凋亡的一種關(guān)鍵蛋白。當(dāng)細(xì)胞受到諸如DNA損傷、化學(xué)治療藥物、氧化應(yīng)激等刺激時(shí)，位于線粒體內(nèi)膜上的細(xì)胞色素c會(huì)被釋放到胞質(zhì)中，與單體形式的Apaf-1蛋白結(jié)合，引起Apaf-1構(gòu)象改變，隨后在ATP或dATP參與下，七個(gè)Apaf-1聚合，形成凋亡體復(fù)合體。該凋亡復(fù)合體通過(guò)激活下游的凋亡反應(yīng)，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡。
為了揭示凋亡體復(fù)合體形成的分子機(jī)制，施一公實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了大量系統(tǒng)、深入的研究。2010年，他們?cè)凇都?xì)胞》（Cell）上發(fā)表了線蟲(chóng)凋亡復(fù)合體CED-4八聚體的晶體結(jié)構(gòu)；2013年，他們?cè)凇痘蛴l(fā)育》發(fā)表論文揭示CED-4與凋亡執(zhí)行蛋白酶CED-3片段的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，為理解CED-4激活CED-3的機(jī)理提供重要線索；今年2月，該實(shí)驗(yàn)室又在《基因與發(fā)育》發(fā)表了果蠅凋亡復(fù)合體Dark八聚體分辨率為4.0埃的電鏡結(jié)構(gòu)。雖然線蟲(chóng)和果蠅的凋亡復(fù)合體結(jié)構(gòu)，能在一定程度上解釋復(fù)合體的聚合由哪些相互作用介導(dǎo)，但是，與線蟲(chóng)和果蠅凋亡復(fù)合體八聚體很不相同的是，哺乳動(dòng)物Apaf-1七聚體的形成還需要細(xì)胞色素c參與。細(xì)胞色素c在凋亡復(fù)合體形成中究竟發(fā)揮了什么樣的作用，要解釋這個(gè)問(wèn)題，需要得到哺乳動(dòng)物凋亡復(fù)合體的高分辨率結(jié)構(gòu)。
在最新的文章中，施一公研究組利用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)，重構(gòu)出了分辨率為3.8埃的哺乳動(dòng)物凋亡復(fù)合體三維結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)中，七個(gè)Apaf-1分子結(jié)合在一起，呈風(fēng)車(chē)狀，直徑約300埃。中心環(huán)狀結(jié)構(gòu)由NBD，HD1和WHD結(jié)構(gòu)域組成，介導(dǎo)了七個(gè)Apaf-1的聚合。風(fēng)車(chē)的最外側(cè)，由14個(gè)WD40結(jié)構(gòu)域和7個(gè)細(xì)胞色素c組成，這正是哺乳動(dòng)物凋亡復(fù)合體特有的結(jié)構(gòu)。放大來(lái)看，每一個(gè)細(xì)胞色素c都如三明治一般被兩個(gè)WD40結(jié)構(gòu)域夾在中間。該結(jié)構(gòu)首次展示了細(xì)胞色素c和Apaf-1的相互作用界面，揭示出全新的由細(xì)胞色素c介導(dǎo)的凋亡體復(fù)合體激活機(jī)制。大量系統(tǒng)的生化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種結(jié)合方式的準(zhǔn)確性。
(A)Apaf-1凋亡復(fù)合體的電子云密度圖。凋亡復(fù)合體不同區(qū)域的表面分辨率由不同顏色表示。中心環(huán)狀結(jié)構(gòu)的表面分辨率達(dá)到3.0–3.5埃。
(B)細(xì)胞色素c結(jié)合區(qū)域的電子云密度示意圖。一個(gè)細(xì)胞色素c（Cyt c）被兩個(gè)WD40結(jié)構(gòu)域WD1和WD2夾在中間。
(C)哺乳動(dòng)物Apaf-1凋亡復(fù)合體的結(jié)構(gòu)模型。細(xì)胞色素c由黃色代表，Apaf-1的不同結(jié)構(gòu)域也由不同顏色表示。
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士生周夢(mèng)縈和李旖旎為本文的共同第一作者，胡奇博士為生化分析提供了大量的寶貴意見(jiàn)。PTN博士生黃維云協(xié)助生化實(shí)驗(yàn)。電鏡數(shù)據(jù)采集于清華大學(xué)冷凍電子顯微鏡平臺(tái)，閆創(chuàng)業(yè)博士幫助完成了電鏡數(shù)據(jù)的采集。數(shù)據(jù)處理過(guò)程獲得了清華信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和英國(guó)MRC分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算資源支持，英國(guó)MRC分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的白曉辰博士指導(dǎo)了最新電鏡結(jié)構(gòu)重構(gòu)算法的應(yīng)用。MRC的Sjors Scheres研究員為共同通訊作者。本工作獲得了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委的經(jīng)費(fèi)支持。
相關(guān)論文連接:
http://genesdev.cshlp.org/content/early/2015/11/05/gad.272278.115
供稿：生命學(xué)院 學(xué)生編輯：小奇
