1年3篇Science！施一公课题组最新研究发表解析人源PKD1PKD2

　　8月10日，清华大学施一公课题组在《Science》期刊发表了结构生物学领域的最新研究成果。值得关注的是，这也是施一公课题组继今年1月和今年5月后，今年第三次在Science上发文。

　　肾脏是人体重要的生命器官，具有排出体内代谢产物，调节水、电解质平衡和调节内分泌系统等诸多生理功能。在多种病理条件下，肾脏需将脏器内的血液排出并供给心脏和大脑这些更重要的器官，因此肾脏是最容易受到损伤的器官之一。遗传因素、高血糖和高血脂等均是慢性肾脏病的重要诱因。据美国国立卫生研究院统计，美国成人（总数约2亿）慢性肾脏病的患病率已高达11.3%。

　　常染色体显性遗传多囊肾病（ADPKD）是慢性肾脏病的重要诱因之一，发病率为1/400-1/1000，全球约1200万患者深受这一疾病的影响。患者双侧肾脏会随着年龄的增长逐渐产生液体充斥的囊泡，挤压并影响周围正常组织。约50%患者会发展到终末期肾功能衰竭，需要进行异源肾脏移植或者终身血液透析治疗。我国约有150万此疾病患者，每年都有数以万计的患者苦苦等待无偿捐献的肾源或者通过无休止的透析维持生命。ADPKD不仅给患者造成严重的身体和精神上的折磨，同时给患者家庭带来沉重的经济负担。

　　与ADPKD致病相关的基因为pkd1和pkd2，其基因产物分别为膜蛋白PKD1和PKD2。二者的突变在所有病人中分别占到大约85%和10%的比例。人源pkd1基因定位于16号染色体，编码了长度为4302个氨基酸包含11次跨膜螺旋的蛋白PKD1。由于PKD1分子量十分巨大，研究人员对其研究一直面临着极大的技术难度。自1993年对pkd1基因测序成功，20多年来众多科学工作者对该蛋白进行了坚持不懈地研究。尽管这些研究拓宽了人们对ADPKD的认知，但由于缺乏足够信息，PKD1蛋白的功能以及多囊肾病的发病机理，尚存争议。另外一个致病蛋白PKD2，是PKD1的伴侣分子，对PKD1的折叠、在细胞器间的转运、和蛋白成熟具有极其重要的作用。PKD1和PKD2蛋白可以相互作用，形成异源四聚体复合物，并可能在初级纤毛 (primary cilia) 上行使重要生理学功能。

　　北京时间2018年8月10日，生命中心PI施一公研究组在《科学》（Science）期刊在线发表了题为《人源PKD1和PKD2复合物的结构》（Structure of the human PKD1/PKD2 complex）的研究长文，首次报道了多囊肾病相关蛋白PKD1和PKD2复合物整体近原子分辨率（3.6 Å）的冷冻电镜结构。

图1：A.人源PKD1和PKD2蛋白的拓扑结构示意图。B.人源PKD1和PKD2蛋白复合物结构；C.人源PKD1独特的通道结构域。

　　施一公课题组首次解析了人源PKD1和PKD2复合物的近原子分辨率结构。该结构揭示：PKD1和PKD2蛋白形成了独特的一比三的复合物 ( 1 PKD1: 3 PKD2 )。根据该结构和生化数据，研究组发现PKD1和PKD2在没有蛋白C端卷曲螺旋结构域的情况下仍能形复合物。这与之前认为“没有卷曲螺旋结构域时二者不能形成蛋白复合物”的主流学说并不一致，使得众多基于此结论的研究需要重新斟酌。除此之外，研究人员还发现PKD1的通道结构域与目前所有已知的电压门控离子通道类似折叠蛋白均不同。PKD1的S6穿膜螺旋上有许多带正电的氨基酸指向通道中心空腔，堵住了类似钙离子通道的中心孔道路径。之前领域内针对PKD1和PKD2是否形成钙离子通道有诸多争论，此结构目前的构象不支持通道假说，给多囊肾病的机制研究带来全新的思考。