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近期，施一公教授研究组在《自然》杂志上发表了一篇题为“早老素家族天冬氨酸膜整合蛋白酶的结构”的研究论文，引起了广泛关注。2024年1月3日，《自然》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他蛋白。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，如本研究中的早老素（presenilin）。

2006年和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），极大地促进了我们对膜整合蛋白酶作用机制的了解，但早老素的结构一直未明确。这项最新研究首次描述了早老蛋白的结构，为未来研究和药物研发提供了一个基础框架。

目前有两种早老蛋白类型：一种是作为单一多肽行使功能，如信号肽肽酶（signal peptide peptidase）；另一种则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-分泌酶（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。这种剪切调控能影响这些蛋白的功能和释放的多肽。功能性γ-分泌酶是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，会改变APP裂解产生的β-淀粉样蛋白，从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-分泌酶的结构，但要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结构迈出的重要一步。而且，这篇文章也为如何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，研究人员发现这种蛋白由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。此外，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，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；另一方面，这个蛋白联合形成四聚体，不过目前还不清楚这种结构的意义。