早老素家族天冬氨酸膜整合蛋白酶的結(jié)構(gòu)

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(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*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(jié)構(gòu)（其中S2P的結(jié)構(gòu)也是由施一公研究組破解），大大的促進了我們對于這種膜整合蛋白酶作用機制的了解，但是presenilin結(jié)構(gòu)還未明確。這項研究就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信號途徑中*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(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(fù)合物的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(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。

zui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(jié)構(gòu)域（NTD），7-9形成C端結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。

這個結(jié)構(gòu)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(yīng)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(jié)構(gòu)的意義。