清華大學生命科學學院施一公研究組在《自然》(Nature)雜志以長文形式(Article)在線發表了題為“Three dimensional structure of human g-secretase”的科研論文，在世界上首次報道了與阿爾茲海默癥(老年癡呆癥)發病直接相關的人源g-secretase的精細三維結構，為理解 g-secretase的工作機制以及阿爾茲海默癥(Alzheimer’s Disease, AD)的發病機理提供了重要線索。

　　阿爾茲海默癥是一類神經退行性疾病，臨床表現為腦組織切片中出現淀粉樣斑塊，神經元逐漸死亡，認知和記憶能力受損，大腦功能逐漸喪失，病人逐漸喪失獨立生活能力，最后腦功能嚴重受損直至死亡。美國前總統里根和英國前首相撒切爾夫人都罹患該疾病。據不完全統計，我國目前大約有500萬阿爾茲海默癥患者，占世界發病總數的四分之一。由于缺乏特效藥物，該疾病不但給病人及家屬造成極大痛苦，也同時帶來沉重的社會負擔。

　　阿爾茲海默病的發生和大腦中淀粉樣斑塊的形成密切相關

　　研究證明：淀粉樣斑塊是由膜整合蛋白酶復合物g -secretase異常切割淀粉樣前體蛋白APP (amyloid precursor protein)而產生過量易聚集的Ab42肽段所致。g -secretase是由四個膜整合蛋白組成的包含19次跨膜螺旋的復合體，包括早老素Presenilin (PS1), Aph-1, Pen-2和Nicastrin四個亞基，其中Presenilin是執行酶活功能的膜整合蛋白酶(intramembrane protease)活性亞基。目前已經在Presenilin上鑒定出一百多個與阿爾茲海默癥有關聯的氨基酸突變。解析g -secretase的三維結構，并在此基礎上理解其正常工作及致病機理，不僅具有重大科學意義，也將對阿爾茲海默癥的藥物研發起到重要的指導作用。

　　然而，膜蛋白的結構生物學研究極具挑戰性。要進行結構鑒定，最關鍵的一步是獲得純度高、化學性質均一穩定、有活性的g -secretase復合物。施一公在清華大學建立實驗室之后立即針對這個難題啟動攻堅。經過大量系統的嘗試，以及對表達和純化方法的不斷改造和優化，他們歷經數年最終利用瞬時轉染技術在哺乳動物細胞中成功過量表達并純化出純度好、性質均一、有活性的g -secretase復合體。通過與英國MRC分子生物學實驗室合作，對獲得的復合物樣品進行了冷凍電鏡(Cryo-EM)的分析和數據收集，最終獲得了分辨率達到4.5埃的g -secretase復合物三維結構。

　　這項研究成果讓人類第一次看到了g-secretase的真實形狀、組成、和幾乎所有的蛋白質二級結構(a-螺旋和b-折疊)。該結構顯示，g -secretase膜內部分呈馬蹄型，全部19個跨膜螺旋清晰可辨。在胞外區有一個分子量較大、分辨率相對更高的結構域，即負責底物識別的 Nicastrin亞基的胞外結構域，其原子結構模型得到構建，并初步顯示出底物結合的可能位點。

　　值得一提的是，膜整合蛋白酶主要負責蛋白質受控膜內水解(Regulated Intramembrane Proteolysis, RIP)這一重要生理過程，即跨膜肽鏈在磷脂雙分子層中被膜整合蛋白酶水解剪切的反應。這是二十年前被發現的一個重要的細胞信號轉導過程，在從細菌到人類的各種生物體內廣泛存在，并參與了生物體發育、膽固醇代謝、脅迫反應等生命活動。膜整合蛋白酶包括三大類蛋白，即絲氨酸蛋白酶Rhomboid, 金屬蛋白酶S2P以及天冬氨酸蛋白酶Presenilin和SPP。施一公研究組在過去十年引領著蛋白質受控膜內水解結構生物學研究領域的發展，先后解析了細菌Rhomboid同源蛋白GlpG, 古細菌S2P同源蛋白，以及古細菌Presenilin同源蛋白的晶體結構并揭示了這些膜整合蛋白酶的工作機理。此次獲得的g -secretase復合物的三維結構將該領域又向前推進了重要的一步。

　　注釋：

　　該論文的第一作者盧培龍是生命學院博士研究生。共同第一作者白曉晨博士曾經師從生命學院隋森芳院士，獲得清華大學博士學位后在劍橋MRC分子生物學實驗室Sjors H.W. Sheres課題組從事博士后研究。共同第一作者馬丹也是生命學院博士研究生。此外，清華大學生命學院在讀博士研究生謝田、閆創業、孫林峰、楊光輝、趙艷雨和周瑞也對本研究做出重要貢獻。