重磅！清華施一公團隊在Nature、Science連發2篇論文

本文來源：清華研讀間、人民日報

2018年12月31日和2019年1月10日，西湖大學校長、清華大學生命學院、結構生物學高精尖創新中心施一公教授領導的研究團隊分別於《自然》和《科學》發表兩篇長文：《人源γ-分泌酶識別底物Notch的結構機制》、《人源γ-分泌酶底物澱粉樣前體蛋白的識別》，報道了人體γ-分泌酶分別結合底物Notch以及和澱粉樣前體蛋白（APP）的高解析度冷凍電鏡結構。

「雙殺」：連發兩篇頂級期刊

2018年12月31日和2019年1月10日，清華大學施一公教授研究團隊分別於頂級學術期刊《自然》（Nature）和《科學》（Science）發表兩篇與阿爾茲海默症關鍵蛋白作用機制相關的研究成果，《人源γ-分泌酶識別底物Notch的結構機制》（Structural Basis of Notch Recognition by Human γ-secretase）和《人源γ-分泌酶底物澱粉樣前體蛋白的識別》（Recognition of Amyloid Precursor Protein by Human γ-secretase）的文章，完成了跨年「雙殺」。

兩篇文章報道了人體γ-分泌酶結合底物Notch以及和澱粉樣前體蛋白（APP）的高解析度冷凍電鏡結構，從分子層面為理解γ-分泌酶特異性識別和底物切割的機制提供了重要認知基礎，為研究與阿爾茲海默症以及癌症相關的發病機制、特異性藥物設計提供了重要的結構信息。

突破：提供「狙擊式」潛在治療方案

阿爾茲海默症（Alzheimer』s Disease, AD）是當今世界面臨的最為嚴峻的神經退行性疾病。主要臨床表現為腦組織切片中出現澱粉樣斑塊、神經元死亡、認知和記憶能力受損，最終腦功能嚴重受損直至死亡。統計結果表明，在65歲以上人群中，其發病率高達10%，在85歲以上人群中，發病率更是達到30-50%；我國目前患該病的人口高達500萬，約佔世界患者總數的四分之一，並且由於世界範圍內預防治療手段不足、缺乏特效藥物，該疾病有發病年齡提前、發病人數增加的趨勢，給病人及家屬造成極大痛苦，也同時為社會帶來沉重負擔。

阿爾茲海默症的發病機理尚不明確。病人腦組織中的澱粉樣斑塊，是由澱粉樣蛋白前體蛋白（APP）被酶切割產生的短肽聚集而來。除了澱粉樣蛋白，重要的信號蛋白Notch也是γ-分泌酶的底物。Notch的異常切割會導致發育的異常，與一些諸如T細胞急性淋巴細胞白血病在內的癌症發病也有重要聯繫。

近年來，多種旨在減少澱粉樣沉澱的γ-分泌酶活性抑製劑的臨床實驗均宣告失敗，較為著名的是禮來公司臨床實驗的Semagacestat。這一抑製劑雖然能夠減少澱粉樣沉澱，但並不能改善患者的認知狀況，更嚴重的是由於同時抑制了γ-分泌酶對Notch的切割，導致患者罹患癌症的風險大幅增加，最終該臨床實驗提前終止，而對γ-分泌酶結合底物機制研究的缺失是造成這一失敗的原因之一。

基於此，獲得γ-分泌酶與底物Notch以及APP複合物的結構，對研究γ-分泌酶的底物識別酶切機理和以γ-分泌酶為靶標的特異性藥物設計具有極大科學意義和潛在應用價值。

研究團隊認為，這或許為開發底物特異性的抑製劑帶來啟發。類似於從「霰彈槍」到「狙擊槍」的過度，未來可以開發特異地抑制β澱粉樣前體蛋白APP的加工而不影響Notch加工的藥物，靶向治療阿爾茲海默症且不導致副作用。與此同時，這兩篇文章通過細節方法的創新，首次揭示了膜內蛋白水解酶與底物複合體這一大類的結構信息。

科研：挑戰與驚喜並存

清華研讀間第一時間聯繫了兩篇論文的共同第一作者，生命學院博士後、結構生物學高精尖創新中心卓越學者楊光輝，為我們講述了研究過程背後鮮為人知的故事。

在研究過程中有什麼曲折的經歷？

有的。課題難度很大，最難的點在於獲得穩定的酶和底物的複合體，這一狀態很難捕捉。我們前期在蛋白質設計上做了很多工作，直到最後採用了文章里描述的交聯的辦法。

研究過程中有什麼印象特別深刻的事嗎？

印象深刻的事很多。施老師實驗室一直在做γ分泌酶相關的工作，我自己也一直在思考如何解析γ分泌酶與底物結合的結構。很早就在思考，但是初期各種蛋白質設計的方法並不能獲得酶和底物穩定在一起的狀態。在讀文獻的過程中看到了酶與底物可能發生相互作用的部分位點，有了一些線索。從2017年初想到並開始嘗試使用交聯的方法，然而也不知道哪幾個氨基酸位點能交聯在一起，於是就在有限的線索下進行嘗試，希望能夠篩選出最優解。我們最終成功獲得了這個解答，並且獲得了Notch與γ分泌酶在一起的狀態，這時已經快到春節了。

我們立即收了一些數據，春節在家遠程計算，大年初三早上我算出來一個初步結果，發現我們想要的底物確實存在。很興奮！有一種迫不及待想把課題做出來的心情。於是我們很快回到實驗室，準備樣品，收集數據，最終把課題做了出來。還有一個印象深刻的事情就是課題做出來後，我們從結構里發現了一個沒有想像到的二級結構β-sheet的形成。如果沒有結構生物學，是很難想像或者預測出來的。這也是結構生物學巨大的魅力。

如何在這麼短的時間內連續在頂刊發表兩篇論文？

APP和Notch對研究阿爾茲海默綜合症的發病機理和治療手段都很重要。很多藥物公司投入巨資研發減少APP切割的藥物，其中禮來公司的Semegacestat就是一種γ-分泌酶的抑製劑，這一款被寄予厚望的藥物臨床實驗中確實減少了澱粉樣蛋白的量，但是也增加了病人患癌的風險，原因就是藥物抑制了Notch的切割。所以設計出特異性的只針對性抑制APP切割的藥物非常重要，我們對這方面很感興趣。基於此，要想更全面的解決特異性的問題，我們需要獲得γ-分泌酶分別結合APP和Notch的結構。

其實兩種底物的研究過程是螺旋上升的，一直同時進行。在最初的對APP的嘗試中，由於APP蛋白本身的性質，我們並沒有獲得很大突破。隨後我們比較了Notch與APP的蛋白質序列，驚奇的發現儘管二者序列各不相同，但是二級結構相似性很大。這一規律的總結帶給我們突破口。我們先獲得了Notch與γ-分泌酶的穩定複合物，隨後在解析結構後再次對比APP與Notch的序列，確定了針對APP的方案，真是有一種柳暗花明的感覺。

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