Cell點評施一公研究成果：帶來好運的馬蹄結構

　　膜內蛋白酶γ-分泌酶是一種重要的信號因子，在阿爾茲海默癥的發生發展過程中也扮演了重要作用，但是對于這種酶的結構特征，科學家們了解得不多。近期清華大學生命學院施一公教授研究組首次報道了人源 γ-secretase的精細三維結構，為理解γ-secretase的工作機制以及阿爾茲海默癥AD的發病機理提供了重要線索。

　　本期（7月18日）Cell雜志特針對這一重要研究成果，進行了介紹，指出這些結構生物學方面的成果揭示出γ-secretase的結構：由19個跨膜螺旋和細胞外底物識別結構域共同組成馬蹄形結構，這將為展現更高分辨度結構奠定基礎。

　　γ-secretase是由四個膜整合蛋白組成的包含19次跨膜螺旋的復合體，包括早老素Presenilin (PS1), Aph-1, Pen-2和Nicastrin四個亞基，其中Presenilin是執行酶活功能的膜整合蛋白酶(intramembrane protease)活性亞基。目前已經在Presenilin上鑒定出一百多個與阿爾茲海默癥有關聯的氨基酸突變。

　　施一公教授研究組攻關γ-secretase結構，他們經過大量系統的嘗試，以及對表達和純化方法的不斷改造和優化，他們歷經數年最終利用瞬時轉染技術在哺乳動物細胞中成功過量表達并純化出純度好、性質均一、有活性的γ-secretase復合體。并且通過與英國MRC分子生物學實驗室合作，對獲得的復合物樣品進行了冷凍電鏡(Cryo-EM)的分析和數據收集，最終獲得了分辨率達到4.5埃的γ-secretase復合物三維結構。

　　這項研究采用了冷凍電鏡（cryo-EM）技術，此前英國MRC分子生物學實驗室就曾采用這種技術解析了釀酒酵母80S核糖體的結構，分辨率達到4.5 ?。作為一個非對稱性的顆粒，核糖體對于cryo-EM技術來說是一個比較困難的目標。研究人員通過FEI Falcon檢測器，成功獲得了該蛋白的高分辨率結構。

　　在使用cryo-EM進行高分辨率成像時，分辨率從1到10–15 ?，蛋白就呈現為模糊不清的一團。這主要有兩個原因：用高能電子束照射樣本，會引起蛋白移動，使圖像模糊。另外，高能電子束的照射還會導致樣本的降解。然而，一旦降低電子束的能量，所得圖像的信噪比就會過低。

　　捕捉圖像的檢測器也會影響cryo-EM分辨率。對于cryo-EM來說，最好的檢測方法是鹵化銀成像，但鹵化銀難以收集數以千計的圖像，因此并不實用。目前，人們大多采用的是CCD數碼相機。然而，相機捕獲的是光線而不是電子，信號轉換會帶來分辨率的損失。

　　為了解決這個問題，MRC分子生物學實驗室采用了新的檢測設備，直接檢測電子，能夠獲得更清晰的圖像和更高的信噪比。他們還將檢測器與圖像處理算法結合起來，以矯正電子束引起的蛋白移動。