施一公研究組在PNAS報(bào)道人體γ-分泌酶的電鏡結(jié)構(gòu)
清華新聞網(wǎng)4月29日電 4月28日，清華大學(xué)生命學(xué)院施一公教授研究組在《美國科學(xué)院院報(bào)》（PNAS）在線發(fā)表題為《人源γ-分泌酶組裝的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)》（Structural basis of human γ-secretase assembly）的文章，報(bào)道了分辨率為4.3埃的人體γ-分泌酶的電鏡結(jié)構(gòu)，首次準(zhǔn)確定位出該復(fù)合體的四個(gè)膜蛋白亞基各跨膜螺旋的位置和組裝方式，為理解γ-分泌酶的工作機(jī)理奠定了重要基礎(chǔ)。
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士后孫林峰、閆創(chuàng)業(yè)，博士生趙凌云、楊光輝、周瑞是本文的共同第一作者，博士生周曉元、謝田、趙艷雨和吳申杰參與了該工作。施一公教授是文章的通訊作者，李雪明研究員提供方法指導(dǎo)，王宏偉教授提供了諸多幫助和討論。
阿爾茲海默癥（Alzheimer’s disease, AD），又稱老年癡呆癥，是當(dāng)今世界面臨的最為嚴(yán)峻的老年神經(jīng)退行性疾病之一。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，在65歲以上人群中，其發(fā)病率高達(dá)10%，在85歲以上人群中，發(fā)病率更是達(dá)到30-50%；我國目前罹患該病的人口高達(dá)500萬。據(jù)預(yù)測(cè)，若無有效預(yù)防、治療手段，2050年全世界將有四分之一左右的65歲以上人群發(fā)病，不僅僅為病人及其家屬，而且為整個(gè)社會(huì)帶來沉重負(fù)擔(dān)。
在這些老年癡呆癥患者中，約有10%的病人為家族遺傳的早發(fā)性阿爾茲海默癥（Familial early-onset AD, FAD），發(fā)病時(shí)間提前到40-60歲之間。阿爾茲海默癥的發(fā)病機(jī)理尚有待揭示。目前研究已知b-淀粉樣沉淀（b-amyloid）是該病的標(biāo)志性癥狀之一。而b-淀粉樣沉淀的產(chǎn)生是APP蛋白經(jīng)過一系列蛋白酶切割產(chǎn)生的短肽聚集而來。在此切割過程中，最關(guān)鍵的蛋白酶是γ-分泌酶（γ-secretase）。γ-分泌酶由四個(gè)跨膜蛋白亞基組成，分別為Presenilin（PS1）、Pen-2、Aph-1和Nicastrin。其中，編碼PS1蛋白的基因中有200多個(gè)突變與FAD病人相關(guān)。而PS1正是行使酶切功能的關(guān)鍵活性亞基。這些突變有可能導(dǎo)致PS1功能異常而引起阿爾茲海默癥的發(fā)生。
g分泌酶的4.3埃電鏡三維結(jié)構(gòu)。
由于γ-分泌酶在阿爾茲海默癥的發(fā)生中扮演著重要角色，很多藥物研發(fā)直接針對(duì)γ-分泌酶作為靶點(diǎn)，所以獲取其三維結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。但是由于γ-分泌酶是一個(gè)膜整合蛋白復(fù)合體，此前預(yù)測(cè)跨膜螺旋達(dá)到19個(gè)，其三維結(jié)構(gòu)研究一直存在很多困難。施一公教授近十年的研究重心逐漸轉(zhuǎn)移到揭示阿爾茲海默癥的發(fā)病機(jī)理，其中一個(gè)主要環(huán)節(jié)是解析γ-分泌酶的結(jié)構(gòu)。他領(lǐng)導(dǎo)的研究組近年來在該領(lǐng)域取得一系列重要突破。2012年12月，施一公研究組在《自然》（Nature）首次報(bào)道PS1細(xì)菌同源蛋白PSH的晶體結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了PS1的結(jié)構(gòu)模型，為理解其致病突變提供了重要基礎(chǔ)；2014年6月，施一公研究組與英國MRC研究組合作在《自然》報(bào)道了分辨率為4.5埃的γ-分泌酶復(fù)合物電鏡結(jié)構(gòu)，觀察到了其跨膜區(qū)域呈馬蹄形排布的結(jié)構(gòu)，但是由于分辨率不夠高，無法準(zhǔn)確區(qū)分各個(gè)跨膜螺旋屬于哪一組分。同年8月，施一公研究組在PNAS雜志發(fā)表文章，報(bào)道了Nicastrin同源蛋白胞外結(jié)構(gòu)域ECD的高分辨率晶體結(jié)構(gòu)，并且根據(jù)同源性構(gòu)建了人源Nicastrin ECD的結(jié)構(gòu)，通過該結(jié)構(gòu)與此前獲得的4.5埃分辨率電鏡結(jié)構(gòu)及PSH晶體結(jié)構(gòu)的比對(duì)，他們?cè)讦?分泌酶跨膜區(qū)辨認(rèn)出了PS1，并進(jìn)一步推測(cè)了該復(fù)合物近20個(gè)跨膜螺旋的排列方式，初步揭示了γ-分泌酶的整體組裝方式，但是這一推測(cè)模型需要更高分辨率的結(jié)構(gòu)驗(yàn)證。
在最新的PNAS文章中，施一公研究組通過在PS1的N端連接T4-溶菌酶蛋白，利用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)，重構(gòu)出了分辨率為4.3埃的γ-分泌酶三維結(jié)構(gòu)。盡管整體分辨率僅提高0.2埃，但是跨膜區(qū)的密度質(zhì)量有了大幅度提高，使得多個(gè)跨膜螺旋之間的連接部分更為清晰，從而可以有效地區(qū)分各個(gè)亞基。T4-溶菌酶的引入直接準(zhǔn)確定位出PS1的第一個(gè)跨膜螺旋，結(jié)合PSH和Nicastri-ECD的晶體結(jié)構(gòu)，從而準(zhǔn)確判斷出四個(gè)亞基，揭示了它們的組裝方式，也驗(yàn)證了施一公研究組在2014年P(guān)NAS文章中推測(cè)的結(jié)構(gòu)模型。其中PS1與PSH具有基本相同的折疊模式和活性位點(diǎn)；Aph1呈現(xiàn)一個(gè)新的七次跨膜折疊模式；而有趣的是，此前一直認(rèn)為具有兩個(gè)跨膜螺旋的Pen-2其實(shí)具有一個(gè)完整跨膜螺旋和兩個(gè)短的半跨膜回形針結(jié)構(gòu)。這些研究結(jié)果對(duì)于理解γ-分泌酶的組裝和機(jī)理有著重要意義，也為理解阿爾茲海默癥的發(fā)病及開發(fā)可能的治療藥物提供了分子基礎(chǔ)。
值得一提的是，國家蛋白質(zhì)科學(xué)研究（北京）設(shè)施清華大學(xué)冷凍電子顯微鏡平臺(tái)2014年初在Titan Krios電鏡上安裝的K2電子信號(hào)采集相機(jī)經(jīng)過半年調(diào)試，于2014年暑期進(jìn)入正常運(yùn)行階段。本次報(bào)道中的高分辨率冷凍電鏡數(shù)據(jù)即采集于該設(shè)施。數(shù)據(jù)處理過程中獲得了清華信息科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室提供的計(jì)算資源支持。本工作獲得了科技部、國家自然科學(xué)基金委的經(jīng)費(fèi)支持。孫林峰、閆創(chuàng)業(yè)均受到生命科學(xué)聯(lián)合中心（CLS）博士后資金支持。
相關(guān)論文鏈接：
http://www.nature.com/nature/journal/v493/n7430/abs/nature11801.html
http://www.nature.com/nature/journal/v512/n7513/full/nature13567.html
http://www.pnas.org/content/111/37/13349.short
http://www.pnas.org/content/early/2015/04/24/1506242112.abstract
供稿：生命學(xué)院 編輯：襄樺
