清華大學(xué)施一公教授研究組在世界上首次揭示了與阿爾茨海默癥（Alzheimer’s Disease，AD）發(fā)病直接相關(guān)的人源γ分泌酶復(fù)合物（γ-secretase）的精細(xì)三維結(jié)構(gòu)，為理解γ分泌酶復(fù)合物的工作機(jī)制以及阿爾茨海默癥的發(fā)病機(jī)理提供了重要線索，在人類對該病的研究歷史上邁出了關(guān)鍵的一步，填補(bǔ)了空白。該成果以長文的形式由英國《自然》雜志于6月29日在線發(fā)表。

　　施一公教授研究組獲得人源γ分泌酶復(fù)合物（γ-secretase）的精細(xì)三維結(jié)構(gòu)之后，立即受到世界科學(xué)界的關(guān)注，在該成果發(fā)表之前已多次受邀在世界頂尖國際會議上做報告，引起國際學(xué)術(shù)界的“震驚”，《細(xì)胞》、《科學(xué)》等期刊罕見地主動邀請施一公教授投稿。

　　阿爾茨海默癥又稱老年癡呆癥，是一類神經(jīng)退行性疾病，臨床表現(xiàn)為腦組織切片中出現(xiàn)淀粉樣斑塊，神經(jīng)元逐漸死亡，認(rèn)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(yán)重受損直至死亡。美國前總統(tǒng)里根和英國前首相撒切爾夫人都罹患該疾病。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國目前大約有500萬阿爾茨海默癥患者，占世界發(fā)病總數(shù)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(fù)擔(dān)。

　　此前的研究表明，阿爾茨海默癥的發(fā)生和大腦中淀粉樣斑塊的形成密切相關(guān)。淀粉樣斑塊是由膜整合蛋白酶復(fù)合物γ-secretase異常切割“淀粉樣前體蛋白”APP （amyloid precursor protein）而產(chǎn)生過量易聚集的Aβ42肽段所致。γ-secretase分泌酶復(fù)合物可以理解成細(xì)胞膜上的一個蛋白酶體，或者更通俗地形容為垃圾粉碎機(jī)。它的主要作用是降解細(xì)胞膜上的一些廢物蛋白，把它降解成小的片段，讓人體再吸收、再利用。γ-secretase分泌酶復(fù)合物是由四個膜整合蛋白組成的包含19次跨膜螺旋的復(fù)合體，包括Presenilin （PS1）， Aph-1， Pen-2和Nicastrin四個亞基，其中早老素Presenilin是執(zhí)行酶活功能的膜整合蛋白酶（intramembrane protease）活性亞基。目前已經(jīng)在早老素Presenilin上鑒定出150多個與阿爾茨海默癥有關(guān)聯(lián)的氨基酸突變。因此，解析γ-secretase的三維結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上理解其正常工作及致病機(jī)理，不僅具有重大科學(xué)意義，也將對阿爾茨海默癥的藥物研發(fā)起到重要的指導(dǎo)作用。

　　獲得γ分泌酶復(fù)合物（γ-secretase）的三維結(jié)構(gòu)是目前世界生命科學(xué)領(lǐng)域最熱門的研究課題之一，世界上多達(dá)幾十個實驗室都在進(jìn)行科研攻關(guān)，但十幾年來都未有收獲。膜蛋白的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究極具挑戰(zhàn)性。要進(jìn)行結(jié)構(gòu)鑒定，最關(guān)鍵的一步是獲得純度高、化學(xué)性質(zhì)均一穩(wěn)定、有活性的γ-secretase復(fù)合物。施一公教授在清華大學(xué)建立實驗室之后立即針對這個難題啟動攻堅。經(jīng)過大量系統(tǒng)的嘗試，以及對表達(dá)和純化方法的不斷改造和優(yōu)化，他們歷經(jīng)數(shù)年最終利用瞬時轉(zhuǎn)染技術(shù)在哺乳動物細(xì)胞中成功過量表達(dá)并純化出純度好、性質(zhì)均一、有活性的γ-secretase復(fù)合體。通過與英國MRC分子生物學(xué)實驗室合作，對獲得的復(fù)合物樣品進(jìn)行了冷凍電鏡（Cryo-EM）分析和數(shù)據(jù)收集，最終獲得了分辨率達(dá)到4.5埃的γ-secretase復(fù)合物三維結(jié)構(gòu)。

　　這項研究成果讓人類第一次看到了γ-secretase的真實形狀、組成和幾乎所有的蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)（α-螺旋和β-折疊）。該結(jié)構(gòu)顯示，γ-secretase膜內(nèi)部分呈馬蹄型，全部19個跨膜螺旋清晰可辨。在胞外區(qū)有一個分子量較大、分辨率相對更高的結(jié)構(gòu)域，即負(fù)責(zé)底物識別的Nicastrin亞基的胞外結(jié)構(gòu)域，其原子結(jié)構(gòu)模型得到構(gòu)建，并初步顯示出底物結(jié)合的可能位點。

　　施一公教授組之所以能在阿爾茨海默癥研究的世界競爭中勝出，源于他領(lǐng)導(dǎo)的實驗室的長期積累、實驗室嚴(yán)密的科學(xué)訓(xùn)練以及合作者的支持。十年磨一劍，在過去10年的時間里，施一公教授研究組引領(lǐng)著整個蛋白質(zhì)受控膜內(nèi)水解（Regulated Intramembrane Proteolysis， RIP）結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究領(lǐng)域的發(fā)展。

　　膜整合蛋白酶主要負(fù)責(zé)蛋白質(zhì)受控膜內(nèi)水解這一重要生理過程，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(yīng)。這是二十年前被發(fā)現(xiàn)的一個重要的細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程，在從細(xì)菌到人類的各種生物體內(nèi)廣泛存在，并參與了生物體發(fā)育、膽固醇代謝、脅迫反應(yīng)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。他們從細(xì)菌研究入手，先后解析了細(xì)菌Rhomboid同源蛋白GlpG，古細(xì)菌S2P同源蛋白，以及古細(xì)菌Presenilin同源蛋白的晶體結(jié)構(gòu)并揭示了這些膜整合蛋白酶的工作機(jī)理。2007年底全職回到清華后，施一公領(lǐng)導(dǎo)的實驗室將該研究作為最重要的課題，最終獲得了人源γ-secretase復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)，將該領(lǐng)域研究又向前推進(jìn)了重要的一步。

　　依據(jù)該三維結(jié)構(gòu)，世界科學(xué)界對阿爾茨海默癥的研究將向前跨出一大步，開啟一個新的研究篇章。施一公教授研究組也將繼續(xù)加深研究領(lǐng)域，進(jìn)一步提高γ分泌酶復(fù)合物的分辨率，捕捉γ-Secretase的完整的工作過程?！皩砦覀兡玫搅烁叻直媛师梅置诿笍?fù)合物的結(jié)構(gòu)，我們可以非常精細(xì)地解釋，任何一個引起老年癡呆癥突變的氨基酸突變是如何導(dǎo)致γ分泌酶復(fù)合物切割A(yù)β42的肽段，這樣，我們就可以根據(jù)結(jié)構(gòu)來設(shè)計藥物分子，這是一種愿景吧”。施一公說。

　　該論文的第一作者盧培龍是生命學(xué)院博士研究生。共同第一作者白曉晨博士曾經(jīng)師從生命學(xué)院隋森芳院士，先后獲得清華大學(xué)學(xué)士和博士學(xué)位后在劍橋MRC分子生物學(xué)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(xué)院博士研究生。此外，清華大學(xué)生命學(xué)院在讀博士研究生謝田、閆創(chuàng)業(yè)、孫林峰、楊光輝、趙艷雨和周瑞也對本研究做出重要貢獻(xiàn)。

　　本工作獲得了科技部、國家自然科學(xué)基金委、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心的經(jīng)費支持。