清华大学生科院施一公教授新年第一篇《PNAS》文章

　　

生物通报道：三年前，清华大学生科院施一公教授研究组在PNAS杂志上发表论文，揭示出了Apaf-1凋亡体（apoptosome）激活caspase-9的分子机制，但关于Apaf-1的作用机制依然知之甚少。今年1月，这一研究组再次于PNAS发文，通过分析与caspase-9结合的Apaf-1凋亡体结构，以及在Apaf-1凋亡体存在情况下的caspase-9生化活性，进一步解析了Apaf-1的作用机制。

细胞凋亡是由引发剂和效应物caspase的连续激活进行的，在哺乳动物细胞中，引发剂caspase-9负责效应物caspase-3的激活，这个过程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。

一直以来，科学家们都希望能弄清楚Apaf-1凋亡体激活caspase-9的分子机制。此前施一公教授研究组发现以往报道的Apaf-1 CARD(caspase recruitment domain)结构域与caspase-9 CARD之间1:1相互作用不足以激活caspase-9。Apaf-1 CARD和caspase-9之间形成多聚复合体是caspase-9激活的基础，而三种类型的独特界面是多聚复合体形成的必要条件。而且，研究人员证实了多聚复合体上的另一个表面区域在caspase-9激活发挥必不可少的作用。

在此基础上，这一组研究人员进一步报道了一个凋亡全酶的冷冻电子显微镜（cryo-EM）结构，并以此为指导进行了相应的生物化学分析，这些结构与生化分析结果表明，凋亡体至少能部分通过抑制性CARD结构域的螯合作用来激活caspase-9。

研究人员表示此前的机械研究大量依赖于在没有Apaf-1凋亡体存在的情况下改造的caspase-9，而这项研究中，他们分析了在Apaf-1凋亡体存在情况下的caspase-9活性的生物化学，结果表明Apaf-1凋亡体能通过两种方式来激活caspase-9：一种是由Caspase募集结构域(Caspase recruitment domain，CARD)介导的抑制作用，另外一种是刺激蛋白酶结构域的催化活性。

此外，此前施一公教授研究组还在Genes & Development上发文，通过单粒子冷冻电镜分析，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。

研究人员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。施一公院士Genes&Dev凋亡研究新成果

（生物通：万纹）

作者简介：

施一公 博士生导师 研究员
长江讲座教授，国家杰出青年基金获得者，“****”首批国家特聘专家

1985-1989 　 清华大学生物科学与技术系，学士
1990-1995 　 美国约翰霍普金斯大学医学院，分子生物物理学博士
1995 美国约翰霍普金斯大学医学院，博士后
1996-1997 美国史隆凯特林癌症研究中心结构生物学实验室，博士后
1998-2001 美国普林斯顿大学分子生物学系，助理教授
2001-2003 美国普林斯顿大学分子生物学系，（终身）副教授
2003-2008 美国普林斯顿大学分子生物学系，（终身）教授
2007-2008 美国普林斯顿大学分子生物学系，Warner-Lambert/Parke-Davis教授
2008-至今 清华大学生命科学学院，教授、博导

主要科研领域及方向:
主要运用结构生物学和生物化学的手段研究肿瘤发生和细胞调亡的分子机制，集中于肿瘤抑制因子和细胞凋亡调节蛋白的结构和功能研究
与重大疾病相关膜蛋白的结构与功能的研究
细胞内生物大分子机器的结构与功能研究

原文摘要：

Mechanistic insights into caspase-9 activation by the structure of the apoptosome holoenzyme.
Mammalian intrinsic apoptosis requires activation of the initiator caspase-9, which then cleaves and activates the effector caspases to execute cell killing. The heptameric Apaf-1 apoptosome is indispensable for caspase-9 activation by together forming a holoenzyme. The molecular mechanism of caspase-9 activation remains largely enigmatic. Here, we report the cryoelectron microscopy (cryo-EM) structure of an apoptotic holoenzyme and structure-guided biochemical analyses. The caspase recruitment domains (CARDs) of Apaf-1 and caspase-9 assemble in two different ways: a 4:4 complex docks onto the central hub of the apoptosome, and a 2:1 complex binds the periphery of the central hub. The interface between the CARD complex and the central hub is required for caspase-9 activation within the holoenzyme. Unexpectedly, the CARD of free caspase-9 strongly inhibits its proteolytic activity. These structural and biochemical findings demonstrate that the apoptosome activates caspase-9 at least in part through sequestration of the inhibitory CARD domain.