冷冻电镜再立功！施一公、颜宁课题组发两篇Science“结构生物学”新成果

　　8月10日，施一公、颜宁同时在《Science》期刊发表了各课题组的最新研究成果——两位学界大咖利用冷冻电镜技术在结构生物学领域取得了重要进展。

　　01 施一公组：人源PKD1和PKD2复合物的结构

　　在“Structure of the human PKD1/PKD2 complex”文章中，施一公组专注的是一种常见遗传病——常染色体显性遗传多囊肾病(ADPKD)。这一疾病主要关联两个基因突变，即pkd1和pkd2。研究团队首次报道了多囊肾病相关蛋白PKD1和PKD2复合物整体近原子分辨率的冷冻电镜结构。

　　常染色体显性遗传多囊肾病是慢性肾脏病的重要诱因之一，发病率为1/400-1/1000，全球约1200万患者深受这一疾病的影响。约50%患者会发展到终末期肾功能衰竭，需要进行异源肾脏移植或者终身血液透析治疗。我国约有150万此疾病患者，每年都有数以万计的患者苦苦等待无偿捐献的肾源或者通过无休止的透析维持生命。ADPKD不仅给患者造成严重的身体和精神上的折磨，同时给患者家庭带来沉重的经济负担。

　　人源pkd1基因定位于16号染色体，编码了长度为4302个氨基酸包含11次跨膜螺旋的蛋白PKD1。而由pkd2编码的PKD2蛋白是PKD1的伴侣分子，对PKD1的折叠、在细胞器间的转运、和蛋白成熟具有极其重要的作用。

　　施一公组利用冷冻电镜技术，获得截短的人类PKD1/PKD2复合体结构，分辨率达到3.6 Å。他们发现，PKD1和PKD2蛋白会形成一个独特的一比三复合物 ( 1 PKD1: 3 PKD2 )。具体而言，PKD1包含一个电压门控性离子通道(VGIC)，通过与PKD2相互作用形成一个非规范的TRP通道体系结构。这一过程中，PKD1中的S6螺旋会在中间断裂，形成S6a和S6b两段。除了VGIC之外，PKD1还有一个5-TM结构域和一个胞质PLAT结构域。

　　图1：A.人源PKD1和PKD2蛋白的拓扑结构示意图。B.人源PKD1和PKD2蛋白复合物结构;C.人源PKD1独特的通道结构域。(图片来源：清华大学生命科学学院)

　　这些结构的解析为PKD蛋白功能的研究建立了一个框架，并进一步为常染色体显性多囊肾病的病因以及治疗对策提供新的线索。

　　02颜宁组：人源Ptch1蛋白的冷冻电镜结构

　　Hedgehog ( Hh )信号通路在胚胎发育中很重要，它的过度活跃与癌症有关。该通路的核心是一种被称为Patched 1 (Ptch1) 的膜受体。它间接抑制一种称为Smoothened的G蛋白偶联受体。当Ptch1结合分泌的蛋白Hh时，这种抑制得到缓解，通路打开。

　　颜宁课题组报道了人类Ptch1的冷冻电镜结构，Ptch1分别以3.9 Å和3.6 Å的分辨率与人类Sonic hedgehog ( ShhN )的N末端结构域复合;利用这些冷冻电镜结构，该课题组观察到了Ptch1的12个跨膜结构域以及两个细胞外结构域ECD1与ECD2。

　　此外，他们还发现两种结构中都存在两种类固醇状的密度，通过进一步结构导向的突变分析表明，ShhN和Ptch1之间的相互作用依赖于类固醇。类固醇结合缺陷Ptch1突变体的结构显示明显的构象重排。

　　人类Ptch1及其与ShhN的复合物的结构揭示了Ptch1和ShhN之间识别的分子基础;同时Ptch1中两个类固醇结合位点的鉴定也为未来研究Hh通路建立了重要的框架。

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　　参考资料：

    1)Structural basis for the recognition of Sonic Hedgehog by human Patched1

　　2)Structure of the human PKD1/PKD2 complex

　　3)清华大学施一公研究组在《科学》发文报导“常染色体显性遗传多囊肾病”相关蛋白PKD1和PKD2复合物的结构