直擊生命大分子過招中的力與美

張佳星

酶與底物的過招可追溯千萬年，卻始終無從參透。近日，施一公研究團隊分別在《自然》和《科學》上發(fā)表文章，報道了人源γ-分泌酶識別兩種不同底物的高分辨率結(jié)構(gòu)，繼報道γ-分泌酶蛋白本身的結(jié)構(gòu)之后，更進一步還原生命物質(zhì)間的“過招故事”。

冰封王座，一片瑩藍。

兩名柔術(shù)高手的過招被定格在鏡面般的冰層中。一束電子射來，擊打在冰雕表面，它們彈跳開的軌跡將被高靈敏的感光元件捕獲，上萬倍地放大影像呈現(xiàn)出生命蛋白糾纏的力與美。

“酶與底物的相互作用短短一瞬，就好像剪刀剪斷繩子的剎那，我們要探知的是這個瞬間的結(jié)構(gòu)和機理?！蔽恼碌谝蛔髡?、清華大學生命科學學院博士后楊光輝表示，人源γ-分泌酶不僅是阿爾茲海默氏癥（俗稱老年癡呆癥）發(fā)病過程中的關(guān)鍵因素之一，還“執(zhí)掌”著生長、發(fā)育相關(guān)的Notch信號蛋白的切割工作，稍有差錯可能誘發(fā)腫瘤。

曙光出現(xiàn)在“半胱氨酸交聯(lián)”上

冷凍電鏡的發(fā)明，讓人們可以直觀地“看到”微小的蛋白分子，而要看到它們的相互作用，卻并不容易。這就好比拍照時的靜態(tài)和抓拍，前者隨時可以“咔嚓”，后者卻講究個時機。

而酶與底物相互靠近到“過招”再到分離（結(jié)合—酶切—解離），是高度動態(tài)的過程，這意味著抓拍的時機極難獲得。

“我們試了很多方法，但獲得酶與底物的復合物結(jié)構(gòu)難度非常大?！睏罟廨x說，“這也是為什么蛋白質(zhì)復合物結(jié)構(gòu)的解析經(jīng)常需要數(shù)年探索。”

曙光出現(xiàn)在一種被稱為“半胱氨酸交聯(lián)”的方法上。這個復雜的名詞在生活中卻十分常見，例如燙頭發(fā)過程中就發(fā)生了半胱氨酸交聯(lián)，卷發(fā)后半胱氨酸交聯(lián)在一起固定發(fā)型。它的原理是，在氧化劑存在的條件下，蛋白質(zhì)中距離足夠近的兩個半胱氨酸形成二硫鍵，從而交聯(lián)在一起。

在博士期間從事過半胱氨酸交聯(lián)的相關(guān)實驗，讓楊光輝對這一方法十分熟悉，他在與導師溝通實驗進展時討論并提出了這個方法，希望能帶來轉(zhuǎn)機?！翱蒲惺且粋€厚積薄發(fā)的過程，前面學習到的很多東西，很可能有某一種是攻克其他重要課題時用得到的?！睏罟廨x始終記得老師施一公的指導，在大量的文獻中學習積累、獨立思考，才能在遇到難題時，找到正確的思路。

引入突變完成結(jié)對“擺拍”

半胱氨酸交聯(lián)的難題是，在哪里進行修飾、引入突變。早老素（γ-分泌酶的核心組分）有467個氨基酸，底物有100個氨基酸，如果全部試一遍將是天文數(shù)字?！巴蛔円氲奈恢貌磺‘?，除了可能根本連接不上之外，還可能使得蛋白本身不表達，或者使得蛋白的性質(zhì)、功能等發(fā)生改變。”楊光輝說，在做之前雖然很難說有幾成把握，但是過往的積累和思考能夠幫助探索加速。

在謎底揭開前，他們并不知道酶和底物“過招”時哪個部分離得最近?！坝捎?013年時，我們曾獲得了γ-分泌酶的三維結(jié)構(gòu)，因此對這個酶有一定的了解?！睏罟廨x說，團隊選擇了柔性最強的區(qū)域。因為酶在進行作用時肯定要發(fā)生構(gòu)象變化，柔性意味著這里是可能的變化區(qū)域。

楊光輝還對該區(qū)域進行了精細到序列位點的分析，一定程度上預估了酶與底物作用時可能發(fā)生什么。通過綜合考慮多種信息，最終，團隊在酶和底物上分別先挑選了4個位點，以16種組合進行試驗，對基因上的點稍作修飾，讓部分區(qū)域的氨基酸分子表達為半胱氨酸，在氧化環(huán)境下，二硫鍵的吸引力讓二者的結(jié)合成為可能，復合物也就“擺拍”成型了。就這樣通過讓蛋白質(zhì)與底物換各種“擺拍”方式，蛋白質(zhì)電泳在大小正確的位置上終于有了像模像樣的條帶?！澳鞘?017年的冬天，我們終于獲得了復合物?！睏罟廨x說，難以置信和興奮異常結(jié)伴而來，讓他連著幾天也沒能睡好，畢竟，γ-分泌酶與其底物都是跨膜蛋白，獲得它們的穩(wěn)定復合物是世界級難題。

“不能盲目相信它就是了，雖然蛋白分子大小與期望中的復合物一致，但也要反復求證?！睏罟廨x說，這是后面實驗的基礎(chǔ)，如果不對這一步“較真”，后面的實驗是有風險的。

根據(jù)分子量的初步判斷，就好像從兩個人的體重分辨。為了在真身顯露（上冷凍電鏡）之前，再多加幾成把握，團隊從不同的角度開始驗證。

“既然二硫鍵是在氧化條件下形成的，那么在還原條件下就應該能夠解開，分別變成單體?！睏罟廨x說，實驗證明了他們的猜想，變成單體之后的分子量也與早老素和底物的大小一致。

隨后，團隊還通過免疫印跡、質(zhì)譜鑒定等方法分別對自己苦苦追尋到的復合物進行考察，最終每一個結(jié)果都成功地為復合物“加了分”。

高分辨率結(jié)構(gòu)揭開復合物謎團

施一公團隊完成了對γ-分泌酶與底物Notch的復合物結(jié)構(gòu)解析，分辨率高達2.7埃（1埃等于0.1納米），這是第一個γ-分泌酶與底物復合物的高分辨率結(jié)構(gòu)，也是第一個膜內(nèi)蛋白水解酶與底物的復合物結(jié)構(gòu)。利用相似的策略，團隊順利獲得了γ-分泌酶與另一個重要底物淀粉樣前體蛋白（APP）的穩(wěn)定復合物，并獲得了其冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。

在冷凍電鏡的高分辨率結(jié)構(gòu)中，一切細節(jié)被數(shù)萬倍放大，相互作用的謎團也被一一揭曉?；剡^頭看時，身為發(fā)現(xiàn)者，楊光輝也對生命機理的奇妙感到驚喜：“所謂眼見為實，真的是親眼見到才敢相信酶和底物是這么作用的?！?/p>

“γ-分泌酶是一個跨膜蛋白，因為細胞膜的主要成分是磷脂，上面的蛋白應該是親脂不親水的，而它對底物的切割卻需要水解，這是一個矛盾?！睏罟廨x進一步解釋，酶卻可以處理得很好。結(jié)構(gòu)顯示，在跨膜區(qū)靠近細胞內(nèi)的一側(cè)，早老素通過構(gòu)象變化，與底物的胞內(nèi)段形成穩(wěn)定的β-sheet結(jié)構(gòu)，為穩(wěn)定底物提供了保證。底物被酶變化出的新結(jié)構(gòu)β-sheet“錨定”住，同時“解旋”。原先被隱藏在“腹中”的“弱點”一下暴露出來，只等酶切。也正因為解旋的作用，親水的基團得以出頭，推動酶的水解工作完成。這一結(jié)構(gòu)觀察第一次直觀證明了長久以來膜內(nèi)蛋白水解酶酶切底物時，底物蛋白需要發(fā)生解旋的猜想。此外，根據(jù)得到的結(jié)構(gòu)，研究組提出了γ-分泌酶結(jié)合底物并依次進行多步酶切的機理：底物的跨膜螺旋隨著切割的進行逐步解旋，并與γ-分泌酶形成新的中間態(tài)復合物再次進行切割。

近年來，多數(shù)治療阿爾茨海默癥的方法是通過抑制γ-分泌酶的活性來減少淀粉樣沉淀的，然而由于γ-分泌酶的“一酶多功能”，單純地對其抑制甚至可能會抑制對Notch的切割，增加患上腫瘤的風險。精細地分析酶對不同底物關(guān)鍵作用位點的功能，將可能研發(fā)特異性抑制APP的切割而不影響Notch切割的藥物。