近期施一公教授研究組題為“早老素家族天冬氨酸膜整合蛋白酶的結(jié)構(gòu)”的文章,，引起了不少關(guān)注，1月3日Nature雜志以“Structural biology: Membrane enzyme cuts a fine figure”為題,，詳細(xì)介紹了這項(xiàng)成果及其意義,。
文章指出,，這項(xiàng)研究成果令人吃驚，因?yàn)榧?xì)胞膜的內(nèi)部是一種疏水性環(huán)境,，而這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)一些蛋白酶能利用水分子在膜內(nèi)消化其它蛋白,。這種酶在生物學(xué)和疾病發(fā)生過程中具有廣泛的作用，目前已發(fā)現(xiàn)的可以分為三類：含鋅S2P蛋白酶（zinc-containing site-2 proteases）,，菱形絲氨酸蛋白酶,，和天冬氨酰蛋白酶，如此項(xiàng)研究中的presenilin,。
2006年,，2007年兩個(gè)研究組分別解析了前兩者原子分辨率級別的晶體結(jié)構(gòu)（其中S2P的結(jié)構(gòu)也是由施一公研究組破解），大大的促進(jìn)了我們對于這種膜整合蛋白酶作用機(jī)制的了解,，但是presenilin結(jié)構(gòu)還未明確,。這項(xiàng)最新研究就首次描述了早老蛋白的結(jié)構(gòu),，為未來研究,，以及藥物研發(fā)提供了一個(gè)基礎(chǔ)框架。
目前有兩種早老蛋白presenilin類型：一種是作為單一多肽行使功能,，如信號(hào)肽peptidase,，另外一種則是需要其他蛋白的激活。第二種早老蛋白能組裝成酶復(fù)合物γ-secretases,，由四種不同蛋白構(gòu)成,，能切斷許多單次跨膜蛋白（含有單次跨膜結(jié)構(gòu)域TMD），比如Notch受體,，以及β-淀粉樣前體蛋白APP,。這種剪切調(diào)控能這些蛋白和釋放的多肽。功能性γ-secretases是Notch信號(hào)途徑中不可或缺的元件,，而且編碼早老蛋白的基因出現(xiàn)突變,，也會(huì)由于改變了APP裂解產(chǎn)生的β-淀粉樣蛋白，而引起早發(fā)性阿爾茨海默病,。
電子顯微鏡能解析出低分辨率γ-secretases的結(jié)構(gòu),，但是要想獲得原子分辨率的晶體結(jié)構(gòu)，困難重重,。這項(xiàng)研究指出解析單個(gè)早老蛋白更為可行,，這是朝著破解整個(gè)酶復(fù)合物的結(jié)構(gòu)邁進(jìn)了重要的一步。而且這篇文章也為如何能解析膜蛋白的晶體和結(jié)構(gòu)提供了一個(gè)范例,。
研究人員通過細(xì)菌過量表達(dá)蛋白,，純化并濃縮，獲得了一種早老蛋白,，或者說是早老型蛋白,。在嘗試了許多生物機(jī)體中的幾種蛋白之后,，研究人員將研究焦點(diǎn)聚集在一種來自古細(xì)菌Methanoculleus marisnigri的蛋白酶：mmPSH，期間需要進(jìn)行大量的蛋白工程研究,，構(gòu)建五種突變體,，用以提高mmPSH的可溶性，從而才能研究蛋白酶功能,，以及獲得高質(zhì)量的結(jié)晶結(jié)構(gòu),，用于檢測。
最終研究人員發(fā)現(xiàn)了這種蛋白是由9個(gè)跨膜螺旋組成：穿膜螺旋1-6形成N端結(jié)構(gòu)域（NTD）,，7-9形成C端結(jié)構(gòu)域(CTD),；兩個(gè)催化殘基天冬氨酸（D162和D220）分別位于穿膜螺旋6和7上，并且包埋在膜內(nèi),。并且研究人員還基于序列的高度保守性,，利用計(jì)算機(jī)同源建模，搭建了人源早老素蛋白的三維結(jié)構(gòu),。
這個(gè)結(jié)構(gòu)帶給我們兩重驚訝,，首先是mmPSH蛋白酶在整個(gè)跨膜區(qū)域中有一個(gè)孔，這也許是水分子進(jìn)入催化剪切反應(yīng)的一條路線,。另外一個(gè)方面就是這個(gè)蛋白聯(lián)合形成的四聚體,，不過目前還不清楚這種結(jié)構(gòu)的意義。(生物谷Bioon.com)
doi:10.1038/nature11768
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Structural biology: Membrane enzyme cuts a fine figure
Michael S. Wolfe
Malfunction of presenilin enzymes, which cleave proteins in cell membranes, can lead to Alzheimer's disease. A crystal structure of a microbial presenilin provides insights into the workings of this enzyme family.
