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带来好运的马蹄结构

日期:2014-07-30 00:00:00

膜内蛋白酶γ-分泌酶是一种重要的信号因子,在阿尔兹海默症的发生发展过程中也扮演了重要作用,但是对于这种酶的结构特征,科学家们了解得不多。近期清华大学生命学院施一公教授研究组首次报道了人源 γ-secretase的精细三维结构,为理解γ-secretase的工作机制以及阿尔兹海默症AD的发病机理提供了重要线索。

日前,《细胞》(Cell)杂志特针对这一重要研究成果,进行了先容,指出这些结构生物学方面的成果揭示出γ-secretase的结构:由19个跨膜螺旋和细胞外底物识别结构域共同组成马蹄形结构,这将为展现更高分辨度结构奠定基础。

γ-secretase是由四个膜整合蛋白组成的包含19次跨膜螺旋的复合体,包括早老素Presenilin (PS1), Aph-1, Pen-2和Nicastrin四个亚基,其中Presenilin是实行酶活功能的膜整合蛋白酶(intramembrane protease)活性亚基。目前已经在Presenilin上鉴定出一百多个与阿尔兹海默症有关联的氨基酸突变。

施一公教授研究组攻关γ-secretase结构,他们经过大量系统的尝试,以及对表达和纯化方法的不断改造和优化,他们历经数年最终利用瞬时转染技术在哺乳动物细胞中成功过量表达并纯化出纯度好、性质均一、有活性的γ-secretase复合体。并且通过与英国MRC分子生物学实验室合作,对获得的复合物样品进行了冷冻电镜(Cryo-EM)的分析和数据收集,最终获得了分辨率达到4.5埃的γ-secretase复合物三维结构。

这项研究采用了冷冻电镜(cryo-EM)技术,此前英国MRC分子生物学实验室就曾采用这种技术解析了酿酒酵母80S核糖体的结构,分辨率达到4.5 Å。作为一个非对称性的颗粒,核糖体对于cryo-EM技术来说是一个比较困难的目标。研究人员通过FEI Falcon检测器,成功获得了该蛋白的高分辨率结构。

在使用cryo-EM进行高分辨率成像时,分辨率从1到10–15 Å,蛋白就呈现为模糊不清的一团。这主要有两个原因:用高能电子束照射样本,会引起蛋白移动,使图像模糊。另外,高能电子束的照射还会导致样本的降解。然而,一旦降低电子束的能量,所得图像的信噪比就会过低。

捕捉图像的检测器也会影响cryo-EM分辨率。对于cryo-EM来说,最好的检测方法是卤化银成像,但卤化银难以收集数以千计的图像,因此并不实用。目前,人们大多采用的是CCD数码相机。然而,相机捕获的是光线而不是电子,信号转换会带来分辨率的损失。

为了解决这个问题,MRC分子生物学实验室采用了新的检测设备,直接检测电子,能够获得更清晰的图像和更高的信噪比。他们还将检测器与图像处理算法结合起来,以矫正电子束引起的蛋白移动。

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