施一公院士Genes&Dev凋亡研究新成果

　　清華大學的施一公（Yigong Shi）教授是國際著名的結構生物學家，在細胞凋亡、大分子機器、膜蛋白研究領域占據國際領先地位。曾榮獲國際賽克勒生物物理學獎、香港求是基金會杰出科學家獎、談家楨生命科學終身成就獎、瑞典皇家科學院愛明諾夫獎等多個國內外大獎。2008年施一公放棄國外的優厚條件選擇回國，在Nature、Science等國際頂級期刊上發表了多篇論文，同時他也搭建起了以清華大學為中心的人才引入橋梁。現擔任中國科學院院士、美國科學院外籍院士和美國藝術與科學院外籍院士。

　　十一月五日，施一公院士課題組在國際權威刊物《Genes & Development》發表一項最新研究成果，題為“Atomic structure of the apoptosome: mechanism of cytochrome c -and dATP-mediated activation of Apaf-1”。在這項研究中，研究人員通過單粒子的低溫EM分析，在3.8 ?的原子級分辨率上，確定了一個完整的哺乳動物凋亡體Apaf-1的三維結構。

　　程序性細胞死亡（細胞凋亡），對于多細胞生物發育和組織動態平衡，是必不可少的。細胞凋亡是由引發劑和效應物caspase的連續激活進行的。效應物caspase的主要功能——比如哺乳動物的caspase-3，是通過對維持生命的蛋白造成眾多裂口而殺死細胞。另一方面，引發劑caspase的主要作用，是切割從而激活特異性效應物caspase。

　　在哺乳動物細胞中，引發劑caspase-9負責caspase-3的激活。引發劑caspase的自動催化激活，主要依賴于一個特定的多蛋白復合物。對于caspase-9來說，這個多蛋白復合物被稱為凋亡體，包括凋亡蛋白酶激活因子1（Apaf-1）和細胞色素c（CytC）之間的一個異二聚體的七個拷貝。因為caspase-9對于大多數已知形式的內凋亡是必不可少的，因此，闡明其激活機制，一直是程序性細胞死亡機理研究的中心任務。實現這一目標的第一步，是闡明凋亡體裝配的機制。

　　在正常的哺乳動物細胞中，Apaf-1作為一個ADP結合的自動抑制單體而存在。為了響應各種形式的內在細胞死亡刺激，CytC從線粒體釋放到細胞質中，在那里CytC結合單體Apaf-1，并為齊聚反應做好準備。ADP通過dATP或ATP的替換，可導致顯著的構象變化，從而使Apaf-1形成一個有活性的heptameric凋亡體。只有激活的凋亡體才能夠促進caspase-9的自動催化激活。CytC如何與Apaf-1相互作用？這些相互作用如何促進核苷酸交換和Apaf-1的齊聚反應？凋亡體介導的caspase-9激活的機制是什么？盡管經過了嚴謹的調查研究，但這些問題一直都是神秘的。

　　已有研究在9.5和21 ?范圍的分辨率上，闡明了Apaf-1凋亡體的低溫電子顯微鏡（cryo-EM）結構。這些結構允許單個結構域的布局，但不能解釋控制凋亡體功能的特異性相互作用。單體的、ADP結合的Apaf-1的X射線結構，為Apaf-1自動抑制的基礎，提供了一個原子的視圖。總之，這些結構觀測提出了一個推測性模型，可描繪凋亡體的組裝。但是，這個模型的EM結構分辨率相對較低，缺乏支持性的生化數據。

　　在這項研究中，研究人員通過單粒子的低溫電子顯微鏡（cryo-EM），確定了一個完整的哺乳動物凋亡體的原子結構（3.8 ?分辨率）。結構分析連同結構引導的生化表征，揭示了細胞色素c如何通過與WD40重復的特異性相互作用，而解除Apaf-1的自動抑制。與自動抑制的Apaf-1的結構對比，揭示了dATP結合如何觸發一系列的構象變化，從而導致凋亡體的形成。總而言之，這些研究結果，闡釋了細胞色素c和dATP介導的Apaf-1激活的分子機制。