Nature重點介紹施一公研究組成果

　　近期施一公教授研究組題為“早老素家族天冬氨酸膜整合蛋白酶的結構”的文章，引起了不少關注，1月3日Nature雜志以“Structural biology: Membrane enzyme cuts a fine figure”為題，詳細介紹了這項成果及其意義。

　　文章指出，這項研究成果令人吃驚，因為細胞膜的內部是一種疏水性環境，而這項研究發現一些蛋白酶能利用水分子在膜內消化其它蛋白。這種酶在生物學和疾病發生過程中具有廣泛的作用，目前已發現的可以分為三類：含鋅S2P蛋白酶(zinc-containing site-2 proteases)，菱形絲氨酸蛋白酶，和天冬氨酰蛋白酶，如此項研究中的presenilin。

　　2006年，2007年兩個研究組分別解析了前兩者原子分辨率級別的晶體結構(其中S2P的結構也是由施一公研究組破解)，大大的促進了我們對于這種膜整合蛋白酶作用機制的了解，但是presenilin結構還未明確。這項最新研究就首次描述了早老蛋白的結構，為未來研究，以及藥物研發提供了一個基礎框架。

　　目前有兩種早老蛋白presenilin類型：一種是作為單一多肽行使功能，如信號肽peptidase，另外一種則是需要其他蛋白的激活。第二種早老蛋白能組裝成酶復合物γ-secretases，由四種不同蛋白構成，能切斷許多單次跨膜蛋白(含有單次跨膜結構域TMD)，比如Notch受體，以及β-淀粉樣前體蛋白APP。這種剪切調控能這些蛋白和釋放的多肽。功能性γ-secretases是Notch信號途徑中不可或缺的元件，而且編碼早老蛋白的基因出現突變，也會由于改變了APP裂解產生的β-淀粉樣蛋白，而引起早發性阿爾茨海默病。

　　電子顯微鏡能解析出低分辨率γ-secretases的結構，但是要想獲得原子分辨率的晶體結構，困難重重。這項研究指出解析單個早老蛋白更為可行，這是朝著破解整個酶復合物的結構邁進了重要的一步。而且這篇文章也為如何能解析膜蛋白的晶體和結構提供了一個范例。

　　研究人員通過細菌過量表達蛋白，純化并濃縮，獲得了一種早老蛋白，或者說是早老型蛋白。在嘗試了許多生物機體中的幾種蛋白之后，研究人員將研究焦點聚集在一種來自古細菌Methanoculleus marisnigri的蛋白酶：mmPSH，期間需要進行大量的蛋白工程研究，構建五種突變體，用以提高mmPSH的可溶性，從而才能研究蛋白酶功能，以及獲得高質量的結晶結構，用于檢測。

　　最終研究人員發現了這種蛋白是由9個跨膜螺旋組成：穿膜螺旋1-6形成N端結構域(NTD)，7-9形成C端結構域(CTD);兩個催化殘基天冬氨酸(D162和D220)分別位于穿膜螺旋6和7上，并且包埋在膜內。并且研究人員還基于序列的高度保守性，利用計算機同源建模，搭建了人源早老素蛋白的三維結構。

　　這個結構帶給我們兩重驚訝，首先是mmPSH蛋白酶在整個跨膜區域中有一個孔，這也許是水分子進入催化剪切反應的一條路線。另外一個方面就是這個蛋白聯合形成的四聚體，不過目前還不清楚這種結構的意義。