人γ—分泌酶的原子分辨率三維結構被揭示

遠志

[本刊訊]清華大學生命科學學院施一公研究組報道了分辨率高達0.34納米的人體γ-分泌酶的電鏡結構，并基于結構分析研究了γ-分泌酶致病突變體的功能，為理解γ-分泌酶工作機制及阿爾茨海默癥（AD）發(fā)病機理提供了重要基礎。相關論文2015年8月18日在線發(fā)表于Nature雜志。

AD是一類神經(jīng)退行性疾病，又稱老年癡呆癥，是當今最嚴重的老年神經(jīng)退行性疾病之一。臨床表現(xiàn)為患者腦組織切片中出現(xiàn)淀粉樣斑塊，神經(jīng)元逐漸死亡，認知和記憶能力受損，逐漸喪失獨立生活能力，最后腦功能嚴重受損直至死亡。65歲以上人群中發(fā)病率高達10%，85歲以上人群中發(fā)病率30%-50%。我國目前患者數(shù)高達500萬，占世界患者總數(shù)的四分之一，且由于預防治療手段不足，缺乏特效藥物，該病有發(fā)病年齡提前、發(fā)病人數(shù)增加的趨勢。

但是，AD的發(fā)病機理尚未揭示。目前已知β-淀粉樣沉淀是該病標志性癥狀之一，β-淀粉樣沉淀是淀粉樣前體（APP）蛋白經(jīng)一系列蛋白酶切割產(chǎn)生的短肽聚集而成。切割過程中最關鍵的蛋白酶是γ-分泌酶，它由四個跨膜蛋白亞基組成：Presenilin（PS1）、Pen-2、Aph-1和Nicastrin。PS1正是行使酶切功能的關鍵活性亞基，編碼PS1的基因中有200多個突變與AD相關，這些突變可能導致PSl功能異常而引發(fā)AD。因此，γ-分泌酶在AD發(fā)病中扮演著重要角色，很多藥物的研發(fā)直接以γ-分泌酶作為靶點，希望通過調節(jié)其活性來治病。但其三維結構信息的缺失和突變致病機理的不明，藥物研發(fā)受到很大限制，獲取其三維結構至關重要。

該工作在獲得純度好、性質均一的蛋白樣品的基礎上，通過收集更多數(shù)據(jù)、大量計算和升級的分類方法，計算構建出0.34納米原子分辨率的γ-分泌酶三維結構，觀察到絕大部分氨基酸的側鏈和胞外區(qū)部分糖基化修飾和結合的脂類分子。并在高分辨結構的基礎上，對PS1上的致病性突變體進行了研究，發(fā)現(xiàn)這些突變主要集中在兩個較為集中的區(qū)域內。通過對其中一些突變體進行生化性質的研究，發(fā)現(xiàn)這些突變會影響γ-分泌酶對底物APP的酶切活性，且影響有所不同，對已有的AD發(fā)病機理提出了一些新探討。

該成果首次展示了，γ-分泌酶的原子分辨率結構，并在結構信息基礎上分析γ-分泌酶中催化亞基PS1上致病性的突變，研究了突變體的生化活性，對更進一步了解，γ-分泌酶切割底物的機制及AD的發(fā)病機理具有極為重大的意義，為開發(fā)潛在治療AD的高效藥物提供了重要的分子基礎。