圖為人源γ分泌酶復合物（γ-secretase）的精細三維結構。

清華新聞網7月3日電（記者 淑 霞）清華大學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）發病直接相關的人源γ分泌酶復合物（γ-secretase）的精細三維結構，為理解γ分泌酶復合物的工作機制以及阿爾茨海默癥的發病機理提供了重要線索，在人類對該病的研究歷史上邁出了關鍵的一步，填補了空白。該成果以長文的形式由英國《自然》雜志于6月29日在線發表。

施一公教授研究組獲得人源γ分泌酶復合物（γ-secretase）的精細三維結構之后，立即受到世界科學界的關注，在該成果發表之前已多次受邀在世界頂尖國際會議上做報告，引起國際學術界的“震驚”，《細胞》、《科學》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，是一類神經退行性疾病，臨床表現為腦組織切片中出現淀粉樣斑塊，神經元逐漸死亡，認知和記憶能力受損，大腦功能逐漸喪失，病人逐漸喪失獨立生活能力，最后腦功能嚴重受損直至死亡。美國前總統里根和英國前首相撒切爾夫人都罹患該疾病。據不完全統計，我國目前大約有500萬阿爾茨海默癥患者，占世界發病總數的四分之一。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擔。

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

獲得γ分泌酶復合物（γ-secretase）的三維結構是目前世界生命科學領域最熱門的研究課題之一，世界上多達幾十個實驗室都在進行科研攻關，但十幾年來都未有收獲。膜蛋白的結構生物學研究極具挑戰性。要進行結構鑒定，最關鍵的一步是獲得純度高、化學性質均一穩定、有活性的γ-secretase復合物。施一公教授在清華大學建立實驗室之后立即針對這個難題啟動攻堅。經過大量系統的嘗試，以及對表達和純化方法的不斷改造和優化，他們歷經數年最終利用瞬時轉染技術在哺乳動物細胞中成功過量表達并純化出純度好、性質均一、有活性的γ-secretase復合體。通過與英國MRC分子生物學實驗室合作，對獲得的復合物樣品進行了冷凍電鏡（Cryo-EM）分析和數據收集，最終獲得了分辨率達到4.5埃的γ-secretase復合物三維結構。

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二級結構（α-螺旋和β-折疊）。該結構顯示，γ-secretase膜內部分呈馬蹄型，全部19個跨膜螺旋清晰可辨。在胞外區有一個分子量較大、分辨率相對更高的結構域，即負責底物識別的Nicastrin亞基的胞外結構域，其原子結構模型得到構建，并初步顯示出底物結合的可能位點。

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，源于他領導的實驗室的長期積累、實驗室嚴密的科學訓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著整個蛋白質受控膜內水解（Regulated Intramembrane Proteolysis， RIP）結構生物學研究領域的發展。

膜整合蛋白酶主要負責蛋白質受控膜內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。這是二十年前被發現的一個重要的細胞信號轉導過程，在從細菌到人類的各種生物體內廣泛存在，并參與了生物體發育、膽固醇代謝、脅迫反應等生命活動。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。他們從細菌研究入手，先后解析了細菌Rhomboid同源蛋白GlpG，古細菌S2P同源蛋白，以及古細菌Presenilin同源蛋白的晶體結構并揭示了這些膜整合蛋白酶的工作機理。2007年底全職回到清華后，施一公領導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復合物的三維結構，將該領域研究又向前推進了重要的一步。

依據該三維結構，世界科學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加深研究領域，進一步提高γ分泌酶復合物的分辨率，捕捉γ-Secretase的完整的工作過程。“將來我們拿到了更高分辨率γ分泌酶復合物的結構，我們可以非常精細地解釋，任何一個引起老年癡呆癥突變的氨基酸突變是如何導致γ分泌酶復合物切割Aβ42的肽段，這樣，我們就可以根據結構來設計藥物分子，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院博士研究生。共同第一作者白曉晨博士曾經師從生命學院隋森芳院士，先后獲得清華大學學士和博士學位后在劍橋MRC分子生物學實驗室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院博士研究生。此外，清華大學生命學院在讀博士研究生謝田、閆創業、孫林峰、楊光輝、趙艷雨和周瑞也對本研究做出重要貢獻。

本工作獲得了科技部、國家自然科學基金委、清華-北大生命科學聯合中心的經費支持。