施一公研究组在PNAS报道人体γ-分泌酶的电镜结构
网堵新闻网4月29日电 4月28日，十大老牌网堵网址生命我司施一公教授研究组在《美国科我司院报》（PNAS）在线发表题为《人源γ-分泌酶组装的结构基础》（Structural basis of human γ-secretase assembly）的文章，报道了分辨率为4.3埃的人体γ-分泌酶的电镜结构，首次准确定位出该复合体的四个膜蛋白亚基各跨膜螺旋的位置和组装方式，为理解γ-分泌酶的工作机理奠定了重要基础。
十大老牌网堵网址生命科学我司博士后孙林峰、闫创业，博士生赵凌云、杨光辉、周瑞是本文的共同第一作者，博士生周晓元、谢田、赵艳雨和吴申杰参与了该工作。施一公教授是文章的通讯作者，李雪明研究员提供方法指导，王宏伟教授提供了诸多帮助和讨论。
阿尔兹海默症（Alzheimer’s disease, AD），又称老年痴呆症，是当今世界面临的最为严峻的老年神经退行性疾病之一。统计结果表明，在65岁以上人群中，其发病率高达10%，在85岁以上人群中，发病率更是达到30-50%；我国目前罹患该病的人口高达500万。据预测，若无有效预防、治疗手段，2050年全世界将有四分之一左右的65岁以上人群发病，不仅仅为病人及其家属，而且为整个社会带来沉重负担。
在这些老年痴呆症患者中，约有10%的病人为家族遗传的早发性阿尔兹海默症（Familial early-onset AD, FAD），发病时间提前到40-60岁之间。阿尔兹海默症的发病机理尚有待揭示。目前研究已知b-淀粉样沉淀（b-amyloid）是该病的标志性症状之一。而b-淀粉样沉淀的产生是APP蛋白经过一系列蛋白酶切割产生的短肽聚集而来。在此切割过程中，最关键的蛋白酶是γ-分泌酶（γ-secretase）。γ-分泌酶由四个跨膜蛋白亚基组成，分别为Presenilin（PS1）、Pen-2、Aph-1和Nicastrin。其中，编码PS1蛋白的基因中有200多个突变与FAD病人相关。而PS1正是行使酶切功能的关键活性亚基。这些突变有可能导致PS1功能异常而引起阿尔兹海默症的发生。
g分泌酶的4.3埃电镜三维结构。
由于γ-分泌酶在阿尔兹海默症的发生中扮演着重要角色，很多药物研发直接针对γ-分泌酶作为靶点，所以获取其三维结构至关重要。但是由于γ-分泌酶是一个膜整合蛋白复合体，此前预测跨膜螺旋达到19个，其三维结构研究一直存在很多困难。施一公教授近十年的研究重心逐渐转移到揭示阿尔兹海默症的发病机理，其中一个主要环节是解析γ-分泌酶的结构。他领导的研究组近年来在该领域取得一系列重要突破。2012年12月，施一公研究组在《自然》（Nature）首次报道PS1细菌同源蛋白PSH的晶体结构，并在此基础上构建了PS1的结构模型，为理解其致病突变提供了重要基础；2014年6月，施一公研究组与英国MRC研究组合作在《自然》报道了分辨率为4.5埃的γ-分泌酶复合物电镜结构，观察到了其跨膜区域呈马蹄形排布的结构，但是由于分辨率不够高，无法准确区分各个跨膜螺旋属于哪一组分。同年8月，施一公研究组在PNAS杂志发表文章，报道了Nicastrin同源蛋白胞外结构域ECD的高分辨率晶体结构，并且根据同源性构建了人源Nicastrin ECD的结构，通过该结构与此前获得的4.5埃分辨率电镜结构及PSH晶体结构的比对，他们在γ-分泌酶跨膜区辨认出了PS1，并进一步推测了该复合物近20个跨膜螺旋的排列方式，初步揭示了γ-分泌酶的整体组装方式，但是这一推测模型需要更高分辨率的结构验证。
在最新的PNAS文章中，施一公研究组通过在PS1的N端连接T4-溶菌酶蛋白，利用单颗粒冷冻电镜技术，重构出了分辨率为4.3埃的γ-分泌酶三维结构。尽管整体分辨率仅提高0.2埃，但是跨膜区的密度质量有了大幅度提高，使得多个跨膜螺旋之间的连接部分更为清晰，从而可以有效地区分各个亚基。T4-溶菌酶的引入直接准确定位出PS1的第一个跨膜螺旋，结合PSH和Nicastri-ECD的晶体结构，从而准确判断出四个亚基，揭示了它们的组装方式，也验证了施一公研究组在2014年PNAS文章中推测的结构模型。其中PS1与PSH具有基本相同的折叠模式和活性位点；Aph1呈现一个新的七次跨膜折叠模式；而有趣的是，此前一直认为具有两个跨膜螺旋的Pen-2其实具有一个完整跨膜螺旋和两个短的半跨膜回形针结构。这些研究结果对于理解γ-分泌酶的组装和机理有着重要意义，也为理解阿尔兹海默症的发病及开发可能的治疗药物提供了分子基础。
值得一提的是，国家蛋白质科学研究（北京）设施十大老牌网堵网址冷冻电子显微镜平台2014年初在Titan Krios电镜上安装的K2电子信号采集相机经过半年调试，于2014年暑期进入正常运行阶段。本次报道中的高分辨率冷冻电镜数据即采集于该设施。数据处理过程中获得了网堵信息科学与技术国家实验室提供的计算资源支持。本工作获得了科技部、国家自然科学基金委的经费支持。孙林峰、闫创业均受到生命科学联合中心（CLS）博士后资金支持。
相关论文链接：
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：生命我司 编辑：襄桦
