清華施一公研究組發(fā)文報(bào)導(dǎo)“常染色體顯性遺傳多囊腎病”相關(guān)蛋白PKD1和PKD2復(fù)合物的結(jié)構(gòu)
清華新聞網(wǎng)8月10日電 8月10日，施一公研究組在《科學(xué)》（Science）期刊在線(xiàn)發(fā)表了題為《人源PKD1和PKD2復(fù)合物的結(jié)構(gòu)》（Structure of the human PKD1/PKD2 complex）的研究長(zhǎng)文，首次報(bào)道了多囊腎病相關(guān)蛋白PKD1和PKD2復(fù)合物整體近原子分辨率（3.6埃）的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。
腎臟是人體重要的生命器官，具有排出體內(nèi)代謝產(chǎn)物，調(diào)節(jié)水、電解質(zhì)平衡和調(diào)節(jié)內(nèi)分泌系統(tǒng)等諸多生理功能。在多種病理?xiàng)l件下，腎臟需將臟器內(nèi)的血液排出并供給心臟和大腦這些更重要的器官，因此腎臟是最容易受到損傷的器官之一。遺傳因素、高血糖和高血脂等均是慢性腎臟病的重要誘因。據(jù)美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院統(tǒng)計(jì)，美國(guó)成人（總數(shù)約2億）慢性腎臟病的患病率已高達(dá)11.3%。
常染色體顯性遺傳多囊腎?。ˋDPKD）是慢性腎臟病的重要誘因之一，發(fā)病率為1/400-1/1000，全球約1200萬(wàn)患者深受這一疾病的影響?；颊唠p側(cè)腎臟會(huì)隨著年齡的增長(zhǎng)逐漸產(chǎn)生液體充斥的囊泡，擠壓并影響周?chē)＝M織。約50%患者會(huì)發(fā)展到終末期腎功能衰竭，需要進(jìn)行異源腎臟移植或者終身血液透析治療。我國(guó)約有150萬(wàn)此疾病患者，每年都有數(shù)以萬(wàn)計(jì)的患者苦苦等待無(wú)償捐獻(xiàn)的腎源或者通過(guò)無(wú)休止的透析維持生命。ADPKD不僅給患者造成嚴(yán)重的身體和精神上的折磨，同時(shí)給患者家庭帶來(lái)沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。
與ADPKD致病相關(guān)的基因?yàn)閜kd1和pkd2，其基因產(chǎn)物分別為膜蛋白PKD1和PKD2。二者的突變?cè)谒胁∪酥蟹謩e占到大約85%和10%的比例。人源pkd1基因定位于16號(hào)染色體，編碼了長(zhǎng)度為4302個(gè)氨基酸包含11次跨膜螺旋的蛋白PKD1。由于PKD1分子量十分巨大，研究人員對(duì)其研究一直面臨著極大的技術(shù)難度。自1993年對(duì)pkd1基因測(cè)序成功，20多年來(lái)眾多科學(xué)工作者對(duì)該蛋白進(jìn)行了堅(jiān)持不懈地研究。盡管這些研究拓寬了人們對(duì)ADPKD的認(rèn)知，但由于缺乏足夠信息，PKD1蛋白的功能以及多囊腎病的發(fā)病機(jī)理，尚存爭(zhēng)議。另外一個(gè)致病蛋白PKD2，是PKD1的伴侶分子，對(duì)PKD1的折疊、在細(xì)胞器間的轉(zhuǎn)運(yùn)、和蛋白成熟具有極其重要的作用。PKD1和PKD2蛋白可以相互作用，形成異源四聚體復(fù)合物，并可能在初級(jí)纖毛 (primary cilia) 上行使重要生理學(xué)功能。
A.人源PKD1和PKD2蛋白的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖 B.人源PKD1和PKD2蛋白復(fù)合物結(jié)構(gòu) C.人源PKD1獨(dú)特的通道結(jié)構(gòu)域
施一公課題組首次解析了人源PKD1和PKD2復(fù)合物的近原子分辨率結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)揭示：PKD1和PKD2蛋白形成了獨(dú)特的一比三的復(fù)合物 ( 1 PKD1: 3 PKD2 )。根據(jù)該結(jié)構(gòu)和生化數(shù)據(jù)，研究組發(fā)現(xiàn)PKD1和PKD2在沒(méi)有蛋白C端卷曲螺旋結(jié)構(gòu)域的情況下仍能形復(fù)合物。這與之前認(rèn)為“沒(méi)有卷曲螺旋結(jié)構(gòu)域時(shí)二者不能形成蛋白復(fù)合物”的主流學(xué)說(shuō)并不一致，使得眾多基于此結(jié)論的研究需要重新斟酌。除此之外，研究人員還發(fā)現(xiàn)PKD1的通道結(jié)構(gòu)域與目前所有已知的電壓門(mén)控離子通道類(lèi)似折疊蛋白均不同。PKD1的S6穿膜螺旋上有許多帶正電的氨基酸指向通道中心空腔，堵住了類(lèi)似鈣離子通道的中心孔道路徑。之前領(lǐng)域內(nèi)針對(duì)PKD1和PKD2是否形成鈣離子通道有諸多爭(zhēng)論，此結(jié)構(gòu)目前的構(gòu)象不支持通道假說(shuō)，給多囊腎病的機(jī)制研究帶來(lái)全新的思考。
施一公課題組與上海長(zhǎng)征醫(yī)院梅長(zhǎng)林教授、郁勝?gòu)?qiáng)教授合作，從2013年開(kāi)始攻堅(jiān)人源PKD1和PKD2這兩個(gè)蛋白的結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)5年的不懈努力，嘗試和篩選了大量的去垢劑、蛋白邊界和冷凍制樣條件，終于解析了整體分辨率為3.6埃的PKD1和PKD2蛋白復(fù)合物的結(jié)構(gòu)，其核心區(qū)域分辨率可以達(dá)到3.2埃，為多囊腎病的致病機(jī)理研究邁出了極為艱難的一步，這也是首次獲得TRP通道家族異源復(fù)合物的結(jié)構(gòu)。
清華大學(xué)生命學(xué)院、結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心施一公教授為本文的通訊作者，清華大學(xué)生命學(xué)院三年級(jí)博士研究生宿強(qiáng)和醫(yī)學(xué)院胡斐卓博士為該文的共同第一作者，清華大學(xué)生命學(xué)院本科生葛霄飛幫助完成部分實(shí)驗(yàn)。清華大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)的雷建林博士為冷凍電鏡數(shù)據(jù)收集提供了幫助。清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院副研究員周強(qiáng)對(duì)冷凍電鏡數(shù)據(jù)處理進(jìn)行了指導(dǎo)。清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院副研究員王廷亮參與了課題的早期操作。電鏡數(shù)據(jù)采集于清華大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)，計(jì)算工作得到清華大學(xué)高性能計(jì)算平臺(tái)、國(guó)家蛋白質(zhì)設(shè)施實(shí)驗(yàn)技術(shù)中心(北京)的支持。本工作獲得了北京結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心及國(guó)家自然科學(xué)基金委的經(jīng)費(fèi)支持。
原文鏈接：
http://science.sciencemag.org/content/early/2018/08/08/science.aat9819
供稿：生命學(xué)院 編輯：曲田
