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構”的文章，引起了不少關注,，1月3日Nature雜志以“Structural biology: Membrane enzyme cuts a fine figure”為題,，詳細介紹了這項成果及其意義。
文章指出,，這項研究成果令人吃驚,，因為細胞膜的內(nèi)部是一種疏水性環(huán)境,，而這項研究發(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,，如此項研究中的presenilin,。
2006年，2007年兩個研究組分別解析了前兩者原子分辨率級別的晶體結構（其中S2P的結構也是由施一公研究組破解）,，大大的促進了我們對于這種膜整合蛋白酶作用機制的了解,，但是presenilin結構還未明確。這項最新研究就首次描述了早老蛋白的結構,，為未來研究,，以及藥物研發(fā)提供了一個基礎框架。
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合物γ-secretases,，由四種不同蛋白構成,，能切斷許多單次跨膜蛋白（含有單次跨膜結構域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的結構,，但是要想獲得原子分辨率的晶體結構，困難重重,。這項研究指出解析單個早老蛋白更為可行,，這是朝著破解整個酶復合物的結構邁進了重要的一步。而且這篇文章也為如何能解析膜蛋白的晶體和結構提供了一個范例,。
研究人員通過細菌過量表達蛋白,，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體中的幾種蛋白之后，研究人員將研究焦點聚集在一種來自古細菌Methanoculleus marisnigri的蛋白酶：mmPSH，期間需要進行大量的蛋白工程研究,，構建五種突變體,，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)量的結晶結構,，用于檢測。
最終研究人員發(fā)現(xiàn)了這種蛋白是由9個跨膜螺旋組成：穿膜螺旋1-6形成N端結構域（NTD）,，7-9形成C端結構域(CTD),；兩個催化殘基天冬氨酸（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,，利用計算機同源建模，搭建了人源早老素蛋白的三維結構,。
這個結構帶給我們兩重驚訝,，首先是mmPSH蛋白酶在整個跨膜區(qū)域中有一個孔，這也許是水分子進入催化剪切反應的一條路線,。另外一個方面就是這個蛋白聯(lián)合形成的四聚體,，不過目前還不清楚這種結構的意義。(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.
