近日，来自清华大学生命科学学院的研究人员在《自然》（Nature）杂志上发表了一篇题为“Structure of a presenilin family intramembrane aspartate protease”的论文，报告了早老素（presenilin）/信号肽肽酶（SPP）家族膜内天冬氨酸蛋白酶的晶体结构。该成果于12月19日在线发表，通讯作者为清华大学生命科学院院长施一公教授。施一公教授的研究组长期致力于运用结构生物学和生物化学手段研究肿瘤发生和细胞凋亡的分子机制，这项研究是该团队在结构生物学领域的又一重要突破。

受控膜内蛋白水解（Regulated intramembrane proteolysis, RIP）是近年来发现的一种新型信号传导机制，即跨膜蛋白能够在跨膜区被裂解，释放其胞质部分，进而进入细胞核控制基因转录。从细菌到人类的广泛生物中，RIP均采用保守模式。目前已知参与RIP的蛋白酶家族有三种：金属蛋白酶S2P（site-2 protease）、天冬氨酸蛋白酶早老素家族和信号肽肽酶家族，以及丝氨酸蛋白酶rhomboid家族。天冬氨酸蛋白酶PS家族的底物包括淀粉样前体蛋白（Amyloid precursor protein, APP）和质膜受体Notch等。

神经生物学研究证实，阿尔茨海默病的重要致病因素之一是β-淀粉样蛋白（Aβ）多肽的积累。Aβ来源于APP，APP经过多次剪切最终产生Aβ，其中两步剪切（β和γ）发生在细胞膜内，而执行膜内剪切的蛋白是γ-分泌酶（γ-secretase）。γ-分泌酶并非单亚基蛋白，而是由四个亚基组成：早老素（Presenilin）、Aph-1、Pen-2和Nicastrin。早老素是γ-分泌酶的活性位点所在亚基，在复合体中发挥核心作用。目前已鉴定出150多种致病性早老素突变，这些突变与家族性阿尔茨海默病密切相关。

近年来，对rhomboid和S2P原核生物同源物的结构研究促进了我们对膜嵌入式蛋白酶机制的理解。然而，早老素和SPP的详细结构信息研究进展缓慢。通过γ-分泌酶复合体的电镜分析、早老素CTF的核磁共振分析以及GXGD肽酶FlaK的晶体结构，虽获得部分信息，但未发现与早老素/SPP的序列同源性。

在这篇新文章中，研究人员报告了来自黑海甲烷袋状菌（Methanosaeta harundinacea）JR1的早老素/SPP同源物（PSH）的晶体结构。该蛋白酶包含9个跨膜区（TMs），采用了一种此前未报道的蛋白质折叠方式。其氨基（N）端区域由TM1–6构成，形成马蹄形结构，环绕着TM7–9构成的羧基（C）端区域。两个催化天冬氨酸残基定位在TM6和TM7的胞质侧，空间上相互接近。水分子通过N端和C端区域之间的一个大口袋接近催化天冬氨酸。

通过这一结构分析，研究人员获得了对早老素/SPP家族膜内蛋白酶的新认识，为未来更深入地理解早老素、γ-分泌酶和SPP的结构与机制提供了重要框架。这一成果不仅有助于揭示阿尔茨海默病的发病机制，也为开发针对γ-分泌酶的药物提供了结构基础。

（生物通：何嫱）