兩篇Science！施一公、顏寧課題組發表「結構生物學」最新成果

生物探索

編者按

8月10日，施一公、顏寧同時在《Science》期刊發表了各課題組的最新研究成果——兩位學界大咖利用冷凍電鏡技術在結構生物學領域取得了重要進展。

01

施一公組：人源PKD1和PKD2複合物的結構

在「Structure of the human PKD1/PKD2 complex」文章中，施一公組專註的是一種常見遺傳病——常染色體顯性遺傳多囊腎病（ADPKD）。這一疾病主要關聯兩個基因突變，即pkd1和pkd2。研究團隊首次報道了多囊腎病相關蛋白PKD1和PKD2複合物整體近原子解析度的冷凍電鏡結構。

常染色體顯性遺傳多囊腎病是慢性腎臟病的重要誘因之一，發病率為1/400-1/1000，全球約1200萬患者深受這一疾病的影響。約50%患者會發展到終末期腎功能衰竭，需要進行異源腎臟移植或者終身血液透析治療。我國約有150萬此疾病患者，每年都有數以萬計的患者苦苦等待無償捐獻的腎源或者通過無休止的透析維持生命。ADPKD不僅給患者造成嚴重的身體和精神上的折磨，同時給患者家庭帶來沉重的經濟負擔。

人源pkd1基因定位於16號染色體，編碼了長度為4302個氨基酸包含11次跨膜螺旋的蛋白PKD1。而由pkd2編碼的PKD2蛋白是PKD1的伴侶分子，對PKD1的摺疊、在細胞器間的轉運、和蛋白成熟具有極其重要的作用。

施一公組利用冷凍電鏡技術，獲得截短的人類PKD1/PKD2複合體結構，解析度達到3.6 ?。他們發現，PKD1和PKD2蛋白會形成一個獨特的一比三複合物 ( 1 PKD1: 3 PKD2 )。具體而言，PKD1包含一個電壓門控性離子通道（VGIC），通過與PKD2相互作用形成一個非規範的TRP通道體系結構。這一過程中，PKD1中的S6螺旋會在中間斷裂，形成S6a和S6b兩段。除了VGIC之外，PKD1還有一個5-TM結構域和一個胞質PLAT結構域。

圖1：A.人源PKD1和PKD2蛋白的拓撲結構示意圖。B.人源PKD1和PKD2蛋白複合物結構；C.人源PKD1獨特的通道結構域。（圖片來源：清華大學生命科學學院）

這些結構的解析為PKD蛋白功能的研究建立了一個框架，並進一步為常染色體顯性多囊腎病的病因以及治療對策提供新的線索。

02

顏寧組：人源Ptch1蛋白的冷凍電鏡結構

Hedgehog ( Hh )信號通路在胚胎髮育中很重要，它的過度活躍與癌症有關。該通路的核心是一種被稱為Patched 1 (Ptch1) 的膜受體。它間接抑制一種稱為Smoothened的G蛋白偶聯受體。當Ptch1結合分泌的蛋白Hh時，這種抑製得到緩解，通路打開。

顏寧課題組報道了人類Ptch1的冷凍電鏡結構，Ptch1分別以3.9 ?和3.6 ?的解析度與人類Sonic hedgehog ( ShhN )的N末端結構域複合；利用這些冷凍電鏡結構，該課題組觀察到了Ptch1的12個跨膜結構域以及兩個細胞外結構域ECD1與ECD2。

此外，他們還發現兩種結構中都存在兩種類固醇狀的密度，通過進一步結構導向的突變分析表明，ShhN和Ptch1之間的相互作用依賴於類固醇。類固醇結合缺陷Ptch1突變體的結構顯示明顯的構象重排。

人類Ptch1及其與ShhN的複合物的結構揭示了Ptch1和ShhN之間識別的分子基礎；同時Ptch1中兩個類固醇結合位點的鑒定也為未來研究Hh通路建立了重要的框架。

End

參考資料：1）Structural basis for the recognition of Sonic Hedgehog by human Patched1

2）Structure of the human PKD1/PKD2 complex

3）清華大學施一公研究組在《科學》發文報導「常染色體顯性遺傳多囊腎病」相關蛋白PKD1和PKD2複合物的結構

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