膜整合蛋白酶γ-分泌酶复合物在阿尔茨海默症及其信号通路中起着重要作用。施一公实验室的研究显示，这个复合体包含一个马蹄形排列的19个跨膜螺旋以及膜外一个与底物结合相关的结构域。这项突破为之后更精细的结构开了一个好兆头。
朱秦毓 田学远 / 编译
今年6月29日，施一公实验室以长文形式在著名学术刊物《自然》在线发表文章描述人类γ-分泌酶复合物（γ-Secretase）的三维结构，引起高度重视。美国哈佛大学医学院教授、老年痴呆机理研究权威Dennis Selkoe应《细胞》杂志邀请发表评论。
在这篇刊发于今年7月17日的评论中，Selkoe教授在摘要里开宗明义的指出：膜整合蛋白酶γ-分泌酶复合物在阿尔茨海默症(Alzheimer’s Disease)及其信号通路中起着重要作用，但它的三维结构此前一直不为人所知。施一公实验室的研究显示，这个复合体包含一个马蹄形排列的19个跨膜螺旋以及膜外一个与底物结合相关的结构域。这项突破为之后更精细的结构开了一个好兆头。Selkoe教授形象的将这篇介绍标题为“γ-分泌酶复合物：一个马蹄形的结构带来好运（γ-Secretase: A Horseshoe Structure Brings Good Luck）”。
人类γ分泌酶复合物的总体结构示意图。上图示presenilin, nicastrin, Aph1和Pen-2的19个跨膜域（蓝色）和nicastrin的胞外域（绿色）；下图示19个跨膜域的横切图，它们在膜内形成马蹄形排列。
图片来源：Figure 2 b, Lu P, Bai XC, Ma D, Xie T, Yan C, Sun L, Yang G, Zhao Y, Zhou R, Scheres SH, Shi Y (2014) Three-dimensional structure of human gamma-secretase. Nature. Published online June 29, 2014.（施一公实验室论文原文图2 b）
阿尔茨海默症是危害大批老年人的老年痴呆症。其主要生化病理特征是β-淀粉样蛋白(Amyloid β-protein, Aβ)在脑组织中的沉积。Aβ是由Aβ前体切割而来。γ-分泌酶复合物是位于细胞内质网膜上的一个蛋白酶体，它参与切割Aβ前体蛋白质。已知很多发生在γ-分泌酶复合物的突变会导致早发性阿尔茨海默症。解析γ-分泌酶复合物的高分辨率三维结构，从原子水平理解其工作机理，对基础科学研究和临床药物开发都具有非凡的意义。
施一公实验室在美国期间有两个重要的研究系列：肿瘤生长因子信号转导通路的多个蛋白质、细胞凋亡通路的多个蛋白质。他们也开始研究跨膜的水解酶。他们曾研究与老年痴呆无关的跨膜水解酶，而2013年他们发表了细菌中类似人类presenilin（早老素）的蛋白水解酶，奠定他们在跨膜水解酶的领先。
他们希望将工作推向人类老年痴呆症相关的四个蛋白质组成的复合体。
施一公实验室的最新工作为实现这一目标迈出了重要的一步。与施一公长期的强项（X线衍射）不同，他们这次用了冷冻电镜方法。他们在冷冻电镜数据收集时采用直接电子检测以减少信号损失；对单粒子成像分析和三维重构也采用了新的方法，从而加快了采集速度并减少了需要的粒子数——这一方法自2013年发表以来在结构生物学领域引发革命，使人们认识到冷冻电镜解析大分子蛋白复合物结构的巨大潜力。
施一公实验室解析了γ-分泌酶复合物4.5埃分辨率的结构。虽然这一分辨率低于施一公实验室通常的结果，但足以使人们对这个极其重要的膜蛋白酶的工作框架有一个大致的了解。Selkoe教授以这样的类比凸显此工作的重要意义：“当伽利略用新磨好的望远镜尝试观察木星时，仅观测到现今已知67个卫星中的4个，但他的发现在人类认识宇宙的历史上写下了浓墨重彩的一笔”。
γ-分泌酶复合物由4个蛋白形成：presenilin（早老素，具有膜内蛋白水解酶活性），nicastrin，Aph1和Pen-2。当这四个成分在内质网膜上组装为大的复合物时，早老素即被激活并自身切割成两个片段，整个复合物的活性位点就形成于两片段的交界处。关于γ-分泌酶复合物的结构，之前一些低分辨率电镜的结果显示了它的大致尺寸、分子朝向、水分子和底物分子可能的入口位点、抑制物结合时的构象变化等，然而由于分辨率的限制（最好的仅12埃），很多重要的功能信息无从得知。施一公实验室在解析γ-分泌酶复合物结构的过程中，优化了该复合物的表达和纯化方法，使用了更利于清晰电镜成像的去垢剂。
这项研究揭示了这个蛋白复合物之前未知的结构，令人眼前一亮。总体上它包括一个马蹄形排列的19个跨膜域和nicastrin的胞外域。尽管复合物有接近一半的分子质量没有得到清楚的解析，这些大部分来自于nicastrin的糖基化修饰和早老素的非保守胞质序列。这个新结构最清楚的部分是nicastrin的胞外域，平均分辨率达到3.5埃。由于跨膜区分辨率相对还不够高，γ-分泌酶复合物的19个跨膜域具体如何排列还不是很清楚。
但施一公实验室指出，跨膜区的“密度”不尽相同：马蹄形的一端较厚（包括3层跨膜域）而另一端较薄（2层）。较厚一端与施一公实验室在2013年解析的高分辨率古生菌早老素同源物的结构相一致，暗示早老素的9个跨膜域可能位于这里。拥有两个跨膜域的Pen-2也有可能位于这里与早老素紧密结合，从而诱发早老素的构象变化。马蹄形的较薄端被认为是Aph1和nicastrin的跨膜域，但它们的具体分布还不清楚；其中有7个跨膜域的Aph1尤其是个谜，它可能作为支架蛋白为γ-分泌酶复合物的其他部分提供支持，或者也参与底物分子的识别。
虽然这项研究为γ-分泌酶复合物的真实面貌又揭开一层面纱，仍有问题有待解决。显然需要更高的分辨率，需要克服复合物构象的灵活性。Selkoe教授在文章的末尾建议，或许可利用肽模拟抑制物使其稳定性增强并同时获知它与底物分子相互作用的情况。还需要对多种生化条件下的不同构象进行成像和重构，从而获得关于蛋白动力学和酶控调节的更多信息。这一系列的与抑制物结合以及不同构象的高分辨率图谱，会最终使得基于结构的更加安全有效的药物设计成为可能。
我们预祝施一公实验室进一步在γ-分泌酶复合物三维结构研究上取得进展，为科学家、医生和患者带来了好运和福音。
References：
1.Wolfe MS, Selkoe DJ (2014) gamma-Secretase: A Horseshoe Structure Brings Good Luck. Cell 158: 247-249
2.Lu P, Bai XC, Ma D, Xie T, Yan C, Sun L, Yang G, Zhao Y, Zhou R, Scheres SH, Shi Y (2014) Three-dimensional structure of human gamma-secretase. Nature. Published online June 29, 2014.