Nature重点介绍施一公研究组成果

　　近期施一公教授研究组题为“早老素家族天冬氨酸膜整合蛋白酶的结构”的文章，引起了不少关注，1月3日Nature杂志以“Structural biology: Membrane enzyme cuts a fine figure”为题，详细介绍了这项成果及其意义。

　　文章指出，这项研究成果令人吃惊，因为细胞膜的内部是一种疏水性环境，而这项研究发现一些蛋白酶能利用水分子在膜内消化其它蛋白。这种酶在生物学和疾病发生过程中具有广泛的作用，目前已发现的可以分为三类：含锌S2P蛋白酶(zinc-containing site-2 proteases)，菱形丝氨酸蛋白酶，和天冬氨酰蛋白酶，如此项研究中的presenilin。

　　2006年，2007年两个研究组分别解析了前两者原子分辨率级别的晶体结构(其中S2P的结构也是由施一公研究组破解)，大大的促进了我们对于这种膜整合蛋白酶作用机制的了解，但是presenilin结构还未明确。这项最新研究就首次描述了早老蛋白的结构，为未来研究，以及药物研发提供了一个基础框架。

　　目前有两种早老蛋白presenilin类型：一种是作为单一多肽行使功能，如信号肽peptidase，另外一种则是需要其他蛋白的激活。第二种早老蛋白能组装成酶复合物γ-secretases，由四种不同蛋白构成，能切断许多单次跨膜蛋白(含有单次跨膜结构域TMD)，比如Notch受体，以及β-淀粉样前体蛋白APP。这种剪切调控能这些蛋白和释放的多肽。功能性γ-secretases是Notch信号途径中不可或缺的元件，而且编码早老蛋白的基因出现突变，也会由于改变了APP裂解产生的β-淀粉样蛋白，而引起早发性阿尔茨海默病。

　　电子显微镜能解析出低分辨率γ-secretases的结构，但是要想获得原子分辨率的晶体结构，困难重重。这项研究指出解析单个早老蛋白更为可行，这是朝着破解整个酶复合物的结构迈进了重要的一步。而且这篇文章也为如何能解析膜蛋白的晶体和结构提供了一个范例。

　　研究人员通过细菌过量表达蛋白，纯化并浓缩，获得了一种早老蛋白，或者说是早老型蛋白。在尝试了许多生物机体中的几种蛋白之后，研究人员将研究焦点聚集在一种来自古细菌Methanoculleus marisnigri的蛋白酶：mmPSH，期间需要进行大量的蛋白工程研究，构建五种突变体，用以提高mmPSH的可溶性，从而才能研究蛋白酶功能，以及获得高质量的结晶结构，用于检测。

　　最终研究人员发现了这种蛋白是由9个跨膜螺旋组成：穿膜螺旋1-6形成N端结构域(NTD)，7-9形成C端结构域(CTD);两个催化残基天冬氨酸(D162和D220)分别位于穿膜螺旋6和7上，并且包埋在膜内。并且研究人员还基于序列的高度保守性，利用计算机同源建模，搭建了人源早老素蛋白的三维结构。

　　这个结构带给我们两重惊讶，首先是mmPSH蛋白酶在整个跨膜区域中有一个孔，这也许是水分子进入催化剪切反应的一条路线。另外一个方面就是这个蛋白联合形成的四聚体，不过目前还不清楚这种结构的意义。