施一公院士Genes&Dev凋亡研究新成果
生物通/王英 · 2015/11/10
十一月五日,施一公院士课题组在国际权威刊物《Genes & Development》发表一项最新研究成果。在这项研究中,研究人员通过单粒子的低温EM分析,在3.8 Å的原子级分辨率上,确定了一个完整的哺乳动物凋亡体Apaf-1的三维结构。


清华大学的施一公(Yigong Shi)教授是国际著名的结构生物学家,在细胞凋亡、大分子机器、膜蛋白研究领域占据国际领先地位。曾荣获国际赛克勒生物物理学奖、香港求是基金会杰出科学家奖、谈家桢生命科学终身成就奖、瑞典皇家科学院爱明诺夫奖等多个国内外大奖。2008年施一公放弃国外的优厚条件选择回国,在Nature、Science等国际顶级期刊上发表了多篇论文,同时他也搭建起了以清华大学为中心的人才引入桥梁。现担任中国科学院院士、美国科学院外籍院士和美国艺术与科学院外籍院士。

十一月五日,施一公院士课题组在国际权威刊物《Genes & Development》发表一项最新研究成果,题为“Atomic structure of the apoptosome: mechanism of cytochrome c- and dATP-mediated activation of Apaf-1”。在这项研究中,研究人员通过单粒子的低温EM分析,在3.8 Å的原子级分辨率上,确定了一个完整的哺乳动物凋亡体Apaf-1的三维结构。

程序性细胞死亡(细胞凋亡),对于多细胞生物发育和组织动态平衡,是必不可少的。细胞凋亡是由引发剂和效应物caspase的连续激活进行的。效应物caspase的主要功能——比如哺乳动物的caspase-3,是通过对维持生命的蛋白造成众多裂口而杀死细胞。另一方面,引发剂caspase的主要作用,是切割从而激活特异性效应物caspase。

在哺乳动物细胞中,引发剂caspase-9负责caspase-3的激活。引发剂caspase的自动催化激活,主要依赖于一个特定的多蛋白复合物。对于caspase-9来说,这个多蛋白复合物被称为凋亡体,包括凋亡蛋白酶激活因子1(Apaf-1)和细胞色素c(CytC)之间的一个异二聚体的七个拷贝。因为caspase-9对于大多数已知形式的内凋亡是必不可少的,因此,阐明其激活机制,一直是程序性细胞死亡机理研究的中心任务。实现这一目标的第一步,是阐明凋亡体装配的机制。

在正常的哺乳动物细胞中,Apaf-1作为一个ADP结合的自动抑制单体而存在。为了响应各种形式的内在细胞死亡刺激,CytC从线粒体释放到细胞质中,在那里CytC结合单体Apaf-1,并为齐聚反应做好准备。ADP通过dATP或ATP的替换,可导致显著的构象变化,从而使Apaf-1形成一个有活性的heptameric凋亡体。只有激活的凋亡体才能够促进caspase-9的自动催化激活。CytC如何与Apaf-1相互作用?这些相互作用如何促进核苷酸交换和Apaf-1的齐聚反应?凋亡体介导的caspase-9激活的机制是什么?尽管经过了严谨的调查研究,但这些问题一直都是神秘的。

已有研究在9.5和21 Å范围的分辨率上,阐明了Apaf-1凋亡体的低温电子显微镜(cryo-EM)结构。这些结构允许单个结构域的布局,但不能解释控制凋亡体功能的特异性相互作用。单体的、ADP结合的Apaf-1的X射线结构,为Apaf-1自动抑制的基础,提供了一个原子的视图。总之,这些结构观测提出了一个推测性模型,可描绘凋亡体的组装。但是,这个模型的EM结构分辨率相对较低,缺乏支持性的生化数据。

在这项研究中,研究人员通过单粒子的低温电子显微镜(cryo-EM),确定了一个完整的哺乳动物凋亡体的原子结构(3.8 Å分辨率)。结构分析连同结构引导的生化表征,揭示了细胞色素c如何通过与WD40重复的特异性相互作用,而解除Apaf-1的自动抑制。与自动抑制的Apaf-1的结构对比,揭示了dATP结合如何触发一系列的构象变化,从而导致凋亡体的形成。总而言之,这些研究结果,阐释了细胞色素c和dATP介导的Apaf-1激活的分子机制。

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  • Atomic structure of the apoptosome: mechanism of cytochrome c- and dATP-mediated activation of Apaf-1

    The apoptotic protease-activating factor 1 (Apaf-1) controls the onset of many known forms of intrinsic apoptosis in mammals. Apaf-1 exists in normal cells as an autoinhibited monomer. Upon binding to cytochrome c and dATP, Apaf-1 oligomerizes into a heptameric complex known as the apoptosome, which recruits and activates cell-killing caspases. Here we present an atomic structure of an intact mammalian apoptosome at 3.8 Å resolution, determined by single-particle, cryo-electron microscopy (cryo-EM). Structural analysis, together with structure-guided biochemical characterization, uncovered how cytochrome c releases the autoinhibition of Apaf-1 through specific interactions with the WD40 repeats. Structural comparison with autoinhibited Apaf-1 revealed how dATP binding triggers a set of conformational changes that results in the formation of the apoptosome. Together, these results constitute the molecular mechanism of cytochrome c- and dATP-mediated activation of Apaf-1.

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