2015年11月6日，生命中心施一公研究組在《基因與發(fā)育》（Gene & Development）在線發(fā)表題為《凋亡復合體原子分辨率結(jié)構(gòu)：細胞色素c和dATP激活凋亡蛋白酶活化因子1的分子機制》（Atomic structure of the apoptosome: mechanism of cytochrome c- and dATP-mediated activation of Apaf-1）的研究論文，報道了哺乳動物凋亡復合體（apoptosome）的高分辨率電鏡結(jié)構(gòu)，并通過結(jié)構(gòu)比對和生化分析揭示了細胞色素c和dATP激活Apaf-1的分子機制。

細胞凋亡（apoptosis）又名程序性細胞死亡，在多細胞動物發(fā)育過程中扮演著重要角色，參與了形態(tài)發(fā)生（例如脊椎動物指間蹼的消失）、臨時器官退化（例如男性生殖系統(tǒng)發(fā)育過程中，中腎旁管的消失）、以及組織形成（調(diào)控組織中不同類型細胞的數(shù)目）等許多過程。細胞凋亡在維持多細胞動物內(nèi)穩(wěn)態(tài)平衡中起著關(guān)鍵作用。凋亡被抑制是腫瘤細胞得以生長的一個重要條件，而凋亡的錯誤啟動參與了神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生。

由于細胞凋亡和許多人類疾病相關(guān)，從上世紀90年代開始，研究人員展開了對人細胞凋亡分子機制的研究。至90年代末，已經(jīng)基本描繪出該過程所涉及的信號傳導通路。許多參與這些信號通路的分子成為潛在的藥物靶點。對于結(jié)構(gòu)生物學家來說，通過結(jié)構(gòu)生物學方法解析細胞凋亡信號通路中關(guān)鍵蛋白的結(jié)構(gòu)、研究信號傳導過程中分子間的相互作用，有助于我們理解細胞凋亡的分子機理、尋找可能的成藥化合物。

凋亡蛋白酶活化因子1（Apaf-1）就是參與人內(nèi)源性細胞凋亡的一種關(guān)鍵蛋白。當細胞受到諸如DNA損傷、化學治療藥物、氧化應激等刺激時，位于線粒體內(nèi)膜上的細胞色素c會被釋放到胞質(zhì)中，與單體形式的Apaf-1蛋白結(jié)合，引起Apaf-1構(gòu)象改變，隨后在ATP或dATP參與下，七個Apaf-1聚合，形成凋亡體復合體。該凋亡復合體通過激活下游的凋亡反應，zui終導致細胞死亡。

為了揭示凋亡體復合體形成的分子機制，施一公實驗室進行了大量系統(tǒng)、深入的研究。 2010年，他們在《細胞》（Cell）上發(fā)表了線蟲凋亡復合體CED-4八聚體的晶體結(jié)構(gòu)；2013年，他們在《基因育發(fā)育》發(fā)表論文揭示CED-4與凋亡執(zhí)行蛋白酶CED-3片段的復合物結(jié)構(gòu)，為理解CED-4激活CED-3的機理提供重要線索；今年2月，該實驗室又在《基因與發(fā)育》發(fā)表了果蠅凋亡復合體Dark八聚體分辨率為4.0埃的電鏡結(jié)構(gòu)。雖然線蟲和果蠅的凋亡復合體結(jié)構(gòu)，能在一定程度上解釋復合體的聚合由哪些相互作用介導，但是，與線蟲和果蠅凋亡復合體八聚體很不相同的是，哺乳動物Apaf-1七聚體的形成還需要細胞色素c參與。細胞色素c在凋亡復合體形成中究竟發(fā)揮了什么樣的作用，要解釋這個問題，需要得到哺乳動物凋亡復合體的高分辨率結(jié)構(gòu)。

在的文章中，施一公研究組利用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)，重構(gòu)出了分辨率為3.8埃的哺乳動物凋亡復合體三維結(jié)構(gòu)。 在該結(jié)構(gòu)中，七個Apaf-1分子結(jié)合在一起，呈風車狀，直徑約300埃。中心環(huán)狀結(jié)構(gòu)由NBD，HD1和WHD結(jié)構(gòu)域組成，介導了七個Apaf-1的聚合。風車的zui外側(cè)，由14個WD40結(jié)構(gòu)域和7個細胞色素c組成，這正是哺乳動物凋亡復合體*的結(jié)構(gòu)。放大來看，每一個細胞色素c都如三明治一般被兩個WD40結(jié)構(gòu)域夾在中間。該結(jié)構(gòu)展示了細胞色素c和Apaf-1的相互作用界面，揭示出全新的由細胞色素c介導的凋亡體復合體激活機制。大量系統(tǒng)的生化實驗驗證了這種結(jié)合方式的準確性。

清華大學生命科學學院博士生周夢縈和李旖旎為本文的共同*作者，胡奇博士為生化分析提供了大量的寶貴意見。PTN博士生黃維云協(xié)助生化實驗。電鏡數(shù)據(jù)采集于清華大學冷凍電子顯微鏡平臺，閆創(chuàng)業(yè)博士幫助完成了電鏡數(shù)據(jù)的采集。數(shù)據(jù)處理過程獲得了清華信息科學與技術(shù)國家實驗室和英國MRC分子生物學實驗室的計算資源支持，英國MRC分子生物學實驗室的白曉辰博士指導了電鏡結(jié)構(gòu)重構(gòu)算法的應用。MRC的Sjors Scheres研究員為共同通訊作者。本工作獲得了科技部、國家自然科學基金委的經(jīng)費支持。