清華大學施一公研究組在《科學》發(fā)文報導(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)
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。在多種病理條件下，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)美國國立衛(wèi)生研究院統(tǒng)計，美國成人（總數(shù)約2億）慢性腎臟病的患病率已高達11.3%。
常染色體顯性遺傳多囊腎病（ADPKD）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1200萬患者深受這一疾病的影響。患者雙側(cè)腎臟會隨著年齡的增長逐漸產(chǎn)生液體充斥的囊泡，擠壓并影響周圍正常組織。約50%患者會發(fā)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(shù)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(jīng)濟負擔。
與ADPKD致病相關(guān)的基因為pkd1和pkd2，其基因產(chǎn)物分別為膜蛋白PKD1和PKD2。二者的突變在所有病人中分別占到大約85%和10%的比例。人源pkd1基因定位于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。由于PKD1分子量十分巨大，研究人員對其研究一直面臨著極大的技術(shù)難度。自1993年對pkd1基因測序成功，20多年來眾多科學工作者對該蛋白進行了堅持不懈地研究。盡管這些研究拓寬了人們對ADPKD的認知，但由于缺乏足夠信息，PKD1蛋白的功能以及多囊腎病的發(fā)病機理，尚存爭議。另外一個致病蛋白PKD2，是PKD1的伴侶分子，對PKD1的折疊、在細胞器間的轉(zhuǎn)運、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，并可能在初級纖毛 (primary cilia) 上行使重要生理學功能。
北京時間2018年8月10日，施一公研究組在《科學》（Science）期刊在線發(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）的研究長文，首次報道了多囊腎病相關(guān)蛋白PKD1和PKD2復(fù)合物整體近原子分辨率（3.6
）的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。
圖1：A.人源PKD1和PKD2蛋白的拓撲結(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。這與之前認為“沒有卷曲螺旋結(jié)構(gòu)域時二者不能形成蛋白復(fù)合物”的主流學說并不一致，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控離子通道類似折疊蛋白均不同。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，堵住了類似鈣離子通道的中心孔道路徑。之前領(lǐng)域內(nèi)針對PKD1和PKD2是否形成鈣離子通道有諸多爭論，此結(jié)構(gòu)目前的構(gòu)象不支持通道假說，給多囊腎病的機制研究帶來全新的思考。
施一公課題組與上海長征醫(yī)院梅長林教授、郁勝強教授合作，從2013年開始攻堅人源PKD1和PKD2這兩個蛋白的結(jié)構(gòu)，經(jīng)過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 的PKD1和PKD2蛋白復(fù)合物的結(jié)構(gòu)，其核心區(qū)域分辨率可以達到3.2 ，為多囊腎病的致病機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)。清華大學生命學院、結(jié)構(gòu)生物學高精尖創(chuàng)新中心施一公教授為本文的通訊作者；清華大學生命學院三年級博士研究生宿強和醫(yī)學院胡斐卓博士為該文的共同第一作者；清華大學生命學院六字班本科生葛霄飛幫助完成部分實驗。清華大學冷凍電鏡平臺的雷建林博士為冷凍電鏡數(shù)據(jù)收集提供了幫助。清華大學醫(yī)學院副研究員周強對冷凍電鏡數(shù)據(jù)處理進行了指導(dǎo)。清華大學醫(yī)學院副研究員王廷亮參與了課題的早期操作。電鏡數(shù)據(jù)采集于清華大學冷凍電鏡平臺，計算工作得到清華大學高性能計算平臺、國家蛋白質(zhì)設(shè)施實驗技術(shù)中心(北京)的支持。本工作獲得了北京結(jié)構(gòu)生物學高精尖創(chuàng)新中心及國家自然科學基金委的經(jīng)費支持。
原文鏈接：http://science.sciencemag.org/content/early/2018/08/08/science.aat9819
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