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近日来自清华大学生命科学学院的研究人员发表了题为“Structure of a presenilin family intramembrane aspartate protease”的论文，报告了一个presenilin/SPP家族膜内天冬氨酸蛋白酶的晶体结构，相关成果发布在12月19日的《自然》（Nature）杂志上。
文章的通讯作者是清华大学生命科学院院长施一公教授，其研究组主要致力于运用结构生物学和生物化学的手段研究肿瘤发生和细胞凋亡的分子机制。这是这一研究组在结构生物学研究领域取得了又一重要成果。 受控膜内蛋白水解（Regulated intramembrane proteolysis,RIP）是近年发现一种新的信号传导机制，即跨膜蛋白能够在它们的跨膜区被裂解并释放出其胞质部分，进而进入核内控制基因的转录。在从细菌到人类的广泛生物中RIP蛋白均采用保守的模式。至今发现参与RIP的蛋白酶家族有三种，包括金属蛋白酶S2P(site-2 protease)；天冬氨酸蛋白酶早老素（presenilin，PS）家族和信号肽肽酶家族（SPP）；丝氨酸蛋白酶rhomboid家族。天冬氨酸蛋白酶PS家族的底物包括淀粉样前体蛋白（Amyloid precursor protein,APP）和质膜受体Notch等。
神经生物学研究证明导致阿尔茨海默氏症的重要病原之一是β- Amyloid（Aβ）多肽的积累。Aβ来源于APP。APP经过几次剪切最终产生出Aβ，其中有两步剪切（β和γ）是在细胞膜内进行的，而执行这种膜内剪切的蛋白是被称为γ-secretase的膜整合蛋白酶。与其他膜整合蛋白酶不同的是，γ-secretase不是一个单亚基蛋白，而是由四个亚基组成，包括Presenilin、Aph-1、Pen-2以及Nicastrin。 Presenilin是γ-secretase的活性位点所在亚基，在γ-secretase复合体中发挥中心作用，当前研究已鉴别出150多种病源性presenilin突变。
近来对于rhomboid和S2P21原核生物同源物的结构研究促进了我们对于这些膜嵌入式蛋白酶的机制理解。相比之下，对于presenilin和SPP的详细结构信息研究却进展缓慢。通过γ-secretase复合体电子显微镜分析、presenilin CTF核磁共振分析，以及GXGD肽酶FlaK26的晶体结构获得优先结构信息未发现与presenilin/SPP有序列同源性。
在这篇新文章中，研究人员报告了来自黑海甲烷袋状菌JR1的presenilin/SPP同源物（PSH）的晶体结构。这一蛋白酶包括9个跨膜区(TMs)，采用了一种从前未报告过的蛋白质折叠方式。其氨基（N）端区域，由TM1–6构成，形成了一种马蹄形状的结构，环绕着TM7–9构成的羧（C）基端区域。两个催化天冬氨酸残基定位在TM6和TM7的胞质侧上，空间上相互接近。水分子通过N端和C端区域之间的一个大口袋接近催化天冬氨酸。生物通 www.ebiotrade.com
通过这一结构分析，研究人员获得了对presenilin/SPP家族膜内蛋白酶的认识。从而为未来更深入地了解presenilin、γ-secretase和SPP的结构和机制提供了重要的框架。
（生物通：何嫱）
12月19日，清华大学生命科学学院教授施一公带领其研究组在《自然》杂志以研究长文（Research Article）的形式发表了题为《早老素家族天冬氨酸膜整合蛋白酶的结构》（Structure of a presenilin family intramembrane aspartate protease）的研究论文，首次报道了人的早老素蛋白（presenilin) 在古细菌Methanoculleus marisnigri JR1中同源蛋白PSH的晶体结构。清华生命科学学院博士研究生李晓淳和党尚宇为文章的共同第一作者，生命科学学院王佳伟博士参与合作。
阿兹海默症（Alzheimer disease，AD），又称老年痴呆症，是一种致死性神经退行性疾病。该病多发于65岁以上的老人，然而也有少见的早发性阿兹海默症（Early-onset AD）病患会提早发病。随着人口的老龄化，AD的发病率逐年上升，在2006年，全世界约有两千六百万AD病患，到2050年时估计全球每85人就有1人罹患该病。阿兹海默症患者临床表现为逐渐严重的认知障碍，对患者及家庭都会造成严重的影响。在发达国家中，阿兹海默症是社会中花费最高的疾病之一，而对于该病，现在仍没有较好的治疗方法。目前研究认为，阿兹海默症是由于g-secretase活性中心蛋白早老素（presenilin）发生突变，从而导致其对底物淀粉样前体蛋白（APP）的酶切位点发生改变，形成更容易在大脑中沉积的b淀粉样蛋白（Ab）导致的。因此，对g-secretase活性中心蛋白早老素的晶体学研究，能够帮助人们更清楚地了解阿兹海默症的发病机理，进而为治愈阿兹海默症提供理论依据。
施一公教授领导的研究组一直以来将g-secretase及其同源蛋白的结构与功能作为主要研究方向。经过多年努力，他们今年获得了早老素在古细菌中同源蛋白PSH的结构。PSH与人源早老素蛋白有着高达50%的序列相似性，进化上高度保守。PSH蛋白三维晶体结构呈现出全新的“presenilin fold”折叠方式。该蛋白由9个跨膜螺旋组成，穿膜螺旋1-6形成N端结构域（NTD），7-9形成C端结构域(CTD)；两个催化残基天冬氨酸（D162和D220）分别位于穿膜螺旋6和7上，并且包埋在膜内。通过结构分析，并且结合之前相关的生化研究结果，研究组提出了底物以及水分子进入PSH的通道模型。之后，研究组又基于序列的高度保守性，利用计算机同源建模，搭建了人源早老素蛋白的三维结构。根据该模型，进一步对引发阿兹海默症相关早老素突变残基进行了生化研究。
这一研究是施一公教授继2006年和2007年在《自然－结构与分子生物学》（Nature Structural & Molecular Biology）和《科学》（Science）分别发表Rhomboid和Site-2 protease两个家族的膜整合蛋白酶的晶体结构之后，对最后一个家族，天冬氨酸膜整合蛋白酶的重要结构生物学研究成果，推近了人们对阿兹海默症致病机理的认识和理解，也为之后基于晶体结构的药物设计和筛选打下了良好的基础。（来源：清华大学）
