近日來(lái)自清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院的研究人員發(fā)表了題為“Structure of a presenilin family intramembrane aspartate protease”的論文,，報(bào)告了一個(gè)presenilin/SPP家族膜內(nèi)天冬氨酸蛋白酶的晶體結(jié)構(gòu)，相關(guān)成果發(fā)布在12月19日的《自然》（Nature）雜志上,。
文章的通訊作者是清華大學(xué)生命科學(xué)院院長(zhǎng)施一公教授,，其研究組主要致力于運(yùn)用結(jié)構(gòu)生物學(xué)和生物化學(xué)的手段研究腫瘤發(fā)生和細(xì)胞凋亡的分子機(jī)制。這是這一研究組在結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究領(lǐng)域取得了又一重要成果,。
受控膜內(nèi)蛋白水解（Regulated intramembrane proteolysis,RIP）是近年發(fā)現(xiàn)一種新的信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制,，即跨膜蛋白能夠在它們的跨膜區(qū)被裂解并釋放出其胞質(zhì)部分，進(jìn)而進(jìn)入核內(nèi)控制基因的轉(zhuǎn)錄,。在從細(xì)菌到人類(lèi)的廣泛生物中RIP蛋白均采用保守的模式。至今發(fā)現(xiàn)參與RIP的蛋白酶家族有三種,，包括金屬蛋白酶S2P(site-2 protease),；天冬氨酸蛋白酶早老素（presenilin,，PS）家族和信號(hào)肽肽酶家族（SPP）；絲氨酸蛋白酶rhomboid家族,。天冬氨酸蛋白酶PS家族的底物包括淀粉樣前體蛋白（Amyloid precursor protein,APP）和質(zhì)膜受體Notch等,。
神經(jīng)生物學(xué)研究證明導(dǎo)致阿爾茨海默氏癥的重要病原之一是β- Amyloid（Aβ）多肽的積累。Aβ來(lái)源于APP,。APP經(jīng)過(guò)幾次剪切最終產(chǎn)生出Aβ,，其中有兩步剪切（β和γ）是在細(xì)胞膜內(nèi)進(jìn)行的，而執(zhí)行這種膜內(nèi)剪切的蛋白是被稱(chēng)為γ-secretase的膜整合蛋白酶,。與其他膜整合蛋白酶不同的是,，γ-secretase不是一個(gè)單亞基蛋白，而是由四個(gè)亞基組成,，包括Presenilin,、Aph-1、Pen-2以及Nicastrin,。 Presenilin是γ-secretase的活性位點(diǎn)所在亞基,，在γ-secretase復(fù)合體中發(fā)揮中心作用，當(dāng)前研究已鑒別出150多種病源性presenilin突變,。
近來(lái)對(duì)于rhomboid和S2P21原核生物同源物的結(jié)構(gòu)研究促進(jìn)了我們對(duì)于這些膜嵌入式蛋白酶的機(jī)制理解,。相比之下，對(duì)于presenilin和SPP的詳細(xì)結(jié)構(gòu)信息研究卻進(jìn)展緩慢。通過(guò)γ-secretase復(fù)合體電子顯微鏡分析,、presenilin CTF核磁共振分析,，以及GXGD肽酶FlaK26的晶體結(jié)構(gòu)獲得優(yōu)先結(jié)構(gòu)信息未發(fā)現(xiàn)與presenilin/SPP有序列同源性。
在這篇新文章中,，研究人員報(bào)告了來(lái)自黑海甲烷袋狀菌JR1的presenilin/SPP同源物（PSH）的晶體結(jié)構(gòu),。這一蛋白酶包括9個(gè)跨膜區(qū)(TMs)，采用了一種從前未報(bào)告過(guò)的蛋白質(zhì)折疊方式,。其氨基（N）端區(qū)域,，由TM1–6構(gòu)成，形成了一種馬蹄形狀的結(jié)構(gòu),，環(huán)繞著TM7–9構(gòu)成的羧（C）基端區(qū)域,。兩個(gè)催化天冬氨酸殘基定位在TM6和TM7的胞質(zhì)側(cè)上，空間上相互接近,。水分子通過(guò)N端和C端區(qū)域之間的一個(gè)大口袋接近催化天冬氨酸,。
通過(guò)這一結(jié)構(gòu)分析，研究人員獲得了對(duì)presenilin/SPP家族膜內(nèi)蛋白酶的認(rèn)識(shí),。從而為未來(lái)更深入地了解presenilin,、γ-secretase和SPP的結(jié)構(gòu)和機(jī)制提供了重要的框架。(生物谷Bioon.com)
doi:10.1038/nature11801
PMC:
PMID:
Structure of a presenilin family intramembrane aspartate protease
Xiaochun Li, Shangyu Dang, Chuangye Yan, Xinqi Gong, Jiawei Wang & Yigong Shi
Presenilin and signal peptide peptidase (SPP) are intramembrane aspartyl proteases that regulate important biological functions in eukaryotes. Mechanistic understanding of presenilin and SPP has been hampered by lack of relevant structural information. Here we report the crystal structure of a presenilin/SPP homologue (PSH) from the archaeon Methanoculleus marisnigri JR1. The protease, comprising nine transmembrane segments (TMs), adopts a previously unreported protein fold. The amino-terminal domain, consisting of TM1–6, forms a horseshoe-shaped structure, surrounding TM7–9 of the carboxy-terminal domain. The two catalytic aspartate residues are located on the cytoplasmic side of TM6 and TM7, spatially close to each other and approximately 8 Å into the lipid membrane surface. Water molecules gain constant access to the catalytic aspartates through a large cavity between the amino- and carboxy-terminal domains. Structural analysis reveals insights into the presenilin/SPP family of intramembrane proteases.
