獻(xiàn)禮2026年！周瑞/施一公合作最新PNAS

信號肽肽酶（SPP）是目前唯一尚未獲得結(jié)構(gòu)表征的膜內(nèi)蛋白酶家族。

2025年12月17日，清華大學(xué)周瑞和西湖大學(xué)施一公共同通訊在PNAS在線發(fā)表題為“Structural insights into human signal peptide peptidase”的研究論文。該研究報道了人源SPPL2a在兩種功能狀態(tài)下的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)：無配體狀態(tài)及抑制劑結(jié)合狀態(tài)，平均分辨率分別為3.3 ?和3.6 ?。SPPL2a包含九個跨膜螺旋，其折疊方式在SPP家族和早老素家族中高度保守。

在無配體狀態(tài)下，活性位點(diǎn)附近已形成一個反平行β-發(fā)夾結(jié)構(gòu)，這與底物結(jié)合狀態(tài)下的早老素1（PS1）結(jié)構(gòu)特征相似。小分子抑制劑L685,458的結(jié)合進(jìn)一步誘導(dǎo)了SPPL2a的構(gòu)象重排。結(jié)合化合物E結(jié)合的PS1冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，本研究揭示了天冬氨酸膜內(nèi)蛋白酶對選擇性抑制劑的識別機(jī)制及其底物門控機(jī)制。基于結(jié)構(gòu)的序列分析揭示了SPP家族與早老素家族之間的關(guān)鍵差異，這些差異決定了它們的功能與組裝方式。

受調(diào)控的膜內(nèi)蛋白水解（RIP）是一種普遍存在且進(jìn)化上保守的信號傳導(dǎo)機(jī)制。該過程需要膜內(nèi)切割蛋白酶（i-CLiPs）的參與，這類酶能夠水解位于膜磷脂雙分子層內(nèi)的底物肽鍵。根據(jù)催化機(jī)制，i-CLiPs可分為四類：位點(diǎn)-2金屬蛋白酶、菱形樣絲氨酸蛋白酶、Rce1型谷氨酰蛋白酶以及天冬氨酸蛋白酶，后者包括早老素（PS）家族和信號肽肽酶（SPP）家族。

真核生物的SPP蛋白主要切割I(lǐng)I型膜相關(guān)信號肽，該切割發(fā)生于信號肽酶完成初始切割之后。人類SPP/SPPL家族包含五個成員：SPP、SPPL2a、SPPL2b、SPPL2c和SPPL3。所有五個成員均具有相似的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征為九個跨膜結(jié)構(gòu)域以及保守的ΦD/GxGD和PAL基序，但在分子大小、亞細(xì)胞定位、組織表達(dá)譜和特異性底物方面存在差異。因此，這些蛋白在眾多細(xì)胞過程中發(fā)揮著多樣且關(guān)鍵的作用，例如免疫監(jiān)視、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)降解（ERAD）、糖基化調(diào)控以及病毒蛋白成熟。在植物中，SPP對于花粉發(fā)育至關(guān)重要。

SPPL2a主要定位于溶酶體和晚期內(nèi)吞體。小鼠中SPPL2a的缺失會損害脾臟B細(xì)胞成熟并減少樹突狀細(xì)胞數(shù)量。人類SPPL2a缺失會導(dǎo)致孟德爾易感性分枝桿菌病，這主要?dú)w因于樹突狀細(xì)胞亞群cDC2的缺失。SPPL2A基因座的遺傳多態(tài)性與阿爾茨海默病（AD）風(fēng)險相關(guān)，SPPL2A已被提議為AD的致病基因。具體而言，髓系特異性增強(qiáng)子中的突變與SPPL2A表達(dá)降低和AD易感性增加相關(guān)；而SPPL2A的一個內(nèi)含子變異則與AD風(fēng)險降低相關(guān)。SPPL2a還可能通過切割吞噬性受體Dectin-1參與AD的發(fā)病機(jī)制。

SPPL2a介導(dǎo)底物門控與切割的作用模型（圖片源自PNAS）

SPPL2a的其他已報道底物包括CD74、腫瘤壞死因子-α（TNF-α）和TMEM106B。底物在腔內(nèi)側(cè)發(fā)生脫落切割后，殘留在膜內(nèi)的N端片段（NTF）會被SPPL2a進(jìn)一步修剪。釋放的胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域（ICD）進(jìn)入細(xì)胞核并調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄。例如，CD74-NTF的ICD調(diào)控細(xì)胞因子巨噬細(xì)胞遷移抑制因子，而TNFα-NTF的ICD則促進(jìn)白細(xì)胞介素-12的表達(dá)。TMEM106B調(diào)控溶酶體形態(tài)，可能介導(dǎo)不依賴于ACE-2的SARS-CoV-2病毒入侵，并且是額顳葉變性（FTLD）的一個風(fēng)險因子。經(jīng)過蛋白水解切割后，TMEM106B產(chǎn)生的片段會在FTLD患者大腦中聚集成淀粉樣蛋白絲。

真核生物SPP家族，包括SPP和SPP樣蛋白（SPPLs），其膜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與γ-分泌酶的催化組分早老素相反。值得注意的是，某些細(xì)菌如枯草芽孢桿菌含有一種稱為SppA的蛋白酶。盡管名稱相似，SppA與真核生物SPP差異巨大。SppA是一種絲氨酸蛋白酶，僅含單個跨膜片段，其催化性Ser-Lys二元體位于親水環(huán)境中。相比之下，早老素和真核生物SPP均具有九個跨膜螺旋，并在疏水的磷脂雙分子層內(nèi)介導(dǎo)切割。系統(tǒng)發(fā)育分析顯示早老素和SPP在真核生物中是保守的。與作為獨(dú)立酶發(fā)揮功能的SPP不同，早老素是γ-分泌酶的催化組分，該復(fù)合物還包含另外三個亞基：尼克司特林（NCT）、PEN-2和APH-1。

詳細(xì)的結(jié)構(gòu)信息對于從機(jī)制上理解SPP家族功能至關(guān)重要。然而，與多種i-CLiPs在結(jié)構(gòu)研究上取得的進(jìn)展相比，目前僅有SPP家族的低分辨率冷凍電鏡圖像可用。值得注意的是，SPP家族成員可被γ-分泌酶抑制劑（GSIs）靶向抑制，例如過渡態(tài)類似物抑制劑L685,458；這些GSIs在抑制丙型肝炎病毒和腫瘤方面顯示出潛力。靶向γ-分泌酶的小分子已在抗AD或抗癌臨床試驗(yàn)中得到廣泛測試。脫靶抑制可能在臨床應(yīng)用中引發(fā)副作用。

在本研究中，作者分別以3.3 ?和3.6 ?的分辨率解析了人源SPPL2a在無配體狀態(tài)及與L685,458結(jié)合狀態(tài)下的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。作者還描述了人源γ-分泌酶與化合物E（一種對γ-分泌酶選擇性高于SPPL2a的擬肽抑制劑）結(jié)合的結(jié)構(gòu)。這些進(jìn)展填補(bǔ)了i-CLiPs機(jī)制理解上的一個重要空白。

https://doi.org/10.1073/pnas.2528340122