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Nature:早老素家族天冬氨酸膜整合蛋白酶的结构

来源网址:http://www.nbmcbt.net/

关键词:早老素家族,酶结构

近期施一公教授研究组题为“早老素家族天冬氨酸膜整合蛋白酶的结构”的文章,引起了不少关注,1月3日Nature杂志以“Structural biology: Membrane enzyme cuts a fine figure”为题,详细介绍了这项成果及其意义。

文章指出,这项研究成果令人吃惊,因为细胞膜的内部是一种疏水性环境,而这项研究发现一些蛋白酶能利用水分子在膜内消化其它蛋白。这种酶在生物学和疾病发生过程中具有广泛的作用,目前已发现的可以分为三类:含锌S2P蛋白酶(zinc-containing site-2 proteases),菱形丝氨酸蛋白酶,和天冬氨酰蛋白酶,如此项研究中的presenilin。

2006年,2007年两个研究组分别解析了前两者原子分辨率级别的晶体结构(其中S2P的结构也是由施一公研究组破解),大大的促进了我们对于这种膜整合蛋白酶作用机制的了解,但是presenilin结构还未明确。这项最新研究就首次描述了早老蛋白的结构,为未来研究,以及药物研发提供了一个基础框架。

目前有两种早老蛋白presenilin类型:一种是作为单一多肽行使功能,如信号肽peptidase,另外一种则是需要其他蛋白的激活。第二种早老蛋白能组装成酶复合物γ-secretases,由四种不同蛋白构成,能切断许多单次跨膜蛋白(含有单次跨膜结构域TMD),比如Notch受体,以及β-淀粉样前体蛋白APP。这种剪切调控能这些蛋白和释放的多肽。功能性γ-secretases是Notch信号途径中不可或缺的元件,而且编码早老蛋白的基因出现突变,也会由于改变了APP裂解产生的β-淀粉样蛋白,而引起早发性阿尔茨海默病。

电子显微镜能解析出低分辨率γ-secretases的结构,但是要想获得原子分辨率的晶体结构,困难重重。这项研究指出解析单个早老蛋白更为可行,这是朝着破解整个酶复合物的结构迈进了重要的一步。而且这篇文章也为如何能解析膜蛋白的晶体和结构提供了一个范例。

研究人员通过细菌过量表达蛋白,纯化并浓缩,获得了一种早老蛋白,或者说是早老型蛋白。在尝试了许多生物机体中的几种蛋白之后,研究人员将研究焦点聚集在一种来自古细菌Methanoculleus marisnigri的蛋白酶:mmPSH,期间需要进行大量的蛋白工程研究,构建五种突变体,用以提高mmPSH的可溶性,从而才能研究蛋白酶功能,以及获得高质量的结晶结构,用于检测。

最终研究人员发现了这种蛋白是由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。并且研究人员还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。

这个结构带给我们两重惊讶,首先是mmPSH蛋白酶在整个跨膜区域中有一个孔,这也许是水分子进入催化剪切反应的一条路线。另外一个方面就是这个蛋白联合形成的四聚体,不过目前还不清楚这种结构的意义。(Bioon.com)

PMC:PMID:

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.