科研成果 | 施一公研究组在《自然》《科学》分别报道人体γ-分泌酶与重要底物Notch和APP复合物的高分辨率三维结构
阿尔兹海默症的发病机理尚不明确。病人脑组织中的淀粉样斑块由淀粉样蛋白前体蛋白(APP, amyloid precursor protein)被酶切割产生的短肽聚集而来。在此切割过程中,最关键的蛋白酶是γ-分泌酶(γ-secretase)。γ-分泌酶由四个跨膜蛋白亚基组成,分别为Presenilin(PS1)、Pen-2、Aph-1和Nicastrin。其中,编码PS1蛋白的基因中有200多个突变与AD病人相关,而PS1正是行使酶切功能的关键活性亚基。这些突变有可能导致PS1功能异常而引起阿尔兹海默症的发生。γ-分泌酶在阿尔兹海默症的发病中扮演着重要角色,很多药物的研发直接以γ-分泌酶作为靶点,希望通过调节其活性来治疗疾病。此外,除淀粉样蛋白外,重要的信号蛋白Notch也是γ-分泌酶的底物。Notch的异常切割会导致发育的异常,与一些诸如T细胞急性淋巴细胞白血病在内的癌症发病也有重要联系。作为与阿尔兹海默症和癌症均紧密相关的蛋白,γ-分泌酶结构的解析与功能的研究一直是重要的科学问题。
γ-分泌酶与底物复合物的结构中,催化亚基PS1发生了较大的构象变化。尤为值得一提的是,在跨膜区靠近细胞内的一侧,PS1通过构象变化,与底物的胞内段形成稳定的β-sheet结构,为稳定底物提供了保证。在此状态下,底物的跨膜螺旋发生解旋,暴露出被酶切的位点。这一结构观察第一次直观证明了长久以来膜内蛋白水解酶酶切底物时,底物蛋白需要发生解旋的猜想。随后科研人员通过生物化学的手段,验证了观察到的构象变化在酶切底物中的作用。根据得到的结构,研究组提出了γ-分泌酶结合底物并依次进行多步酶切的机理:底物的跨膜螺旋随着切割的进行逐步解旋,并与γ-分泌酶形成新的中间态复合物再次进行切割。此外,文章还讨论了底物进入γ-分泌酶活性中心的路径。在后续解析的γ-分泌酶与底物APP穿膜区的复合物结构中,研究者同样发现了前文中描述的特征结构:β-sheet和底物在酶切处的解旋。对于潜在的药物研发来说,研发可以特异地抑制APP的切割而不影响Notch切割的药物,对于治疗阿尔兹海默症且不导致癌症等副作用具有重大价值。对于某些类的癌症的药物研发亦是如此。研究组通过系统性地在结构当中比较Notch与APP穿膜区片段的表面特征揭示了研发这种特异性抑制剂的潜在的结合位点。有很多与阿尔兹海默症相关的突变集中在γ-分泌酶的活性亚基PS1和底物APP上,其中有一些位点是同一位点突变为多个氨基酸的,该研究中通过对结构的详细分析,发现这些对应的反复突变大多集中于γ-分泌酶与APP相互作用界面上,文章还据此分类讨论了这些突变可能影响底物结合的机理。
3. T. Xie et al., Crystal structure of the γ-secretase component nicastrin. PNAS 111(37), (2014)
4. S. Dang et al., Cleavage of amyloid precursor protein by an archaeal presenilin homologue PSH. PNAS 112 (11), (2015)
5. L. Sun et al., Structural basis of human γ-secretase assembly. PNAS 112 (19), (2015)
6. X. Bai et al., An atomic structure of human γ-secretase. Nature 525, 212, (2015)
7. L. Sun et al., Analysis of 138 pathogenic mutations in presenilin-1 on the in vitro production of Aβ42 and Aβ40 peptides by γ-secretase. PNAS 114 (4), (2017)
8. R. Zhou et al., Dominant negative effect of the loss-of-function γ-secretase mutants on the wild-type enzyme through heterooligomerization. PNAS 114 (48), (2017)
来源:结构生物学高精尖创新中心