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梳理利用冷冻电镜解析生物分子结构最新研究进展

来源:本站原创 2017-10-06 20:15

2017年10月5日/生物谷BIOON/---当地时间2017年10月4日,瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布将2017年度诺贝尔化学奖授予给瑞士洛桑大学的Jacques Dubochet、美国哥伦比亚大学的Joachim Frank和英国剑桥大学分子生物学实验室的Richard Henderson,获奖理由是“开发出冷冻电子显微镜技术(cryo-electron microscopy, 也称作electron cryomicroscopy, cryo-EM, 也称为低温电子显微镜技术)用于确定溶液中的生物分子的高分辨率结构。”

基于此,小编对利用冷冻电镜技术解析生物分子结构近期取得的进展进行一番盘点,以飨读者。

1.Science:解析出AMPAR-stargazin复合体的三维结构
doi:1126/science.aaf8411


AMPA离子型谷氨酸受体(AMPA-subtype ionotropic glutamate receptor, AMPAR)调节快速的兴奋性突触传递,促进更高级的认知过程,如学习和记忆。在大脑中,AMPAR与多种辅助性亚基形成蛋白复合体,其中这些辅助性亚基严格控制着AMPAR的运输、门控和药理作用。这些蛋白复合体遭受破坏与多种精神疾病和神经退行性疾病有关。

在一项新的研究中,Edward C. Twomey等人利用低温电镜技术 ( Cryo-Electron Microscopy )解析出一种与stargazin(STZ)结合时的AMPAR的三维结构,其中STZ是一种代表性的跨膜 AMPAR调节蛋白。STZ控制着AMPAR的突触靶向、突触可塑性和区室特异性的活性、药理作用和门控。

2.Nature:重大突破!史上最详细人DNA转录前起始复合体结构出炉!
doi:10.1038/nature17970

作为所有生命必不可少的一个过程,基因表达分两步:DNA转录为RNA,然后RNA翻译为蛋白。

在一项新的研究中,来自美国佐治亚州立大学、加州大学伯克利分校和西北大学等多家机构的研究人员将低温电镜技术(Cryo-EM)和最新的计算建模方法结合在一起,史无前例地详细解析出 近原子分辨率下的人转录前起始复合体(transcription pre-initiation complex, PIC)的分子结构。人PIC是一个蛋白组装体,将RNA聚合酶安排在合适的位置从而确保能够启动转录。

这些新的结构有助深入认识在转录起始整个过程---包括识别基因转录开始启动的DNA启动子区域、打开这个启动子区域和起始转录---中人PIC发生的一系列构象变化。相关研究结果于2016年5 月11日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“Near-atomic resolution visualization of human transcription promoter opening”。

在这个紧密控制的转录过程开始时,RNA聚合酶和一般转录因子(general transcription factor)在DNA的特定位点上组装在一起而形成PIC。这种PIC组装是打开启动子的双链DNA螺旋结构从 而将DNA放入在RNA聚合酶活性位点上和开始转录过程所必需的。所产生的mRNA转录本然后就被用来制造蛋白。

为了获得人PIC复合体的详细结构,研究人员将Cryo-EM和依赖于超算技术的整合分子计算建模技术结合在一起,捕获三种不同功能状态下的人PIC结构:1)与启动子区域的DNA双螺旋接触时的 关闭状态;2)与转录泡接触时的打开状态,3)准备执行mRNA合成的起始转录状态。他们也能够可视化观察人PIC复合体中多种之前并未确定的组分。这些发现揭示出转录因子TFIIH的完整亚 基组装结构,其中TFIIH在打开启动子区域中发挥着至关重要的作用。TFIIH是PIC复合体中结构最难解析的组分之一。

3.EMBO Reports:线粒体研究获重大突破!科学家有望攻克癌症等多种疾病!
doi:10.15252/embr.201744261


近日,一项刊登在国际杂志EMBO Reports上的研究报告中,来自英国埃克塞特大学的研究人员通过研究深入阐明了线粒体是如何被制造的?线粒体作为人类细胞的能量工厂,其有着自身的DNA,并且需要多种不同的蛋白质来维持功能,但至今研究人员并未清楚阐明线粒体的形成及其发挥功能的相近分子机制。

研究者Vicki Gold博士表示,细胞中有些核糖体能够同线粒体吸附,这或许就能够解释在被制造的同时蛋白质是如何被“推向”线粒体的,相关研究或为研究人员深入研究蛋白质靶向作用及线粒体功能异常提供新的线索,线粒体功能异常往往与多种疾病发生有着直接的关系,比如癌症和神经变性疾病(帕金森疾病)等。蛋白质对于几乎所有的细胞过程都非常重要,而且细胞不得不制造大量多种蛋白质并且将其精准化运输到目的地来维持机体的功能。

以线粒体为例,蛋白质必须穿越两个膜的边界才能够进入线粒体内部,这项研究中,研究人员通过深入研究清晰地揭示了核糖体是如何与线粒体进行吸附的,研究者利用低温电子显微检查技术对健康细胞中的吸附过程进行了图像捕捉和拍摄,下一步研究者计划在非健康的细胞中阐明这种吸附过程发生的机制。

4.PNAS:解析出P22病毒的详细化学结构
doi:10.1073/pnas.1621152114

噬菌体P22的完整衣壳结构图,图片来自C.Hryc/the Chiu Lab。

在一项新的研究中,来自美国贝勒医学院、劳伦斯伯克利国家实验室、麻省理工学院和普渡大学的研究人员史无前例地解析出P22病毒的近原子分辨率的化学结构。相关研究结果于2017年3月6日在线发表在PNAS期刊上,论文标题为“Accurate model annotation of a near-atomic resolution cryo-EM map”。论文通信作者为贝勒医学院生物化学与分子生物学教授Wah Chiu博士。

论文共同第一作者、Chiu实验室研究生Corey Hryc说,“在2011年,我们已发布了P22病毒的结构,从而允许我们确定性地描绘出绝大多数蛋白质骨架结构,但是我们不能够可视化观察它的详细细节,比如单个小的侧链。从那以后,显微技术不断在改进;我们有新的检测器,这些检测器允许我们记录更好的更高对比度的结构图片,从而允许我们改进我们的数据的分辨率。此外,我们有新的处理算法,从而允许我们增加我们解析这种结构的能力。”

Chiu说,“这项研究的新颖之处在于我们利用低温电子显微技术获得2万多张P22病毒的二维结构图片,然后利用计算程序将它们结合在一起,产生史无前例详细的三维结构图片。”

对P22病毒的高分辨率三维图片进行分析允许这些研究人员极详细地观察这种病毒中的蛋白的所有构成单元(即氨基酸),包括它们的侧链和它们如何与附近的氨基酸相互作用。

5.Nature:重磅!首次解析出细胞核骨架的三维分子结构
doi:10.1038/nature21382


在一项新的研究中,来自瑞士、美国和以色列的研究人员利用三维电子显微技术首次成功地在分子分辨率上阐明细胞核的核纤层(lamina)结构。这个核骨架(即核纤层)让高等真核生物中的细胞核保持稳定,并且参与遗传物质组装、激活和复制。肌肉萎缩症和过早衰老等疾病是由编码核纤层蛋白(lamin)的基因发生突变导致的。如今,人们能够更加高效地研究这些疾病。核纤层蛋白是核纤层的主要组分。相关研究结果于2017年3月1日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“The molecular architecture of lamins in somatic cells”。

细菌相比,在真核生物中,遗传物质位于细胞核中。细胞核的外层是由核膜组成的。核膜含有很多核孔。分子通过这些核孔进出细胞核。在核膜下方是核纤层。核纤层是细长的网络结构,仅几纳米厚。它让细胞核保持稳定,并且让细胞核中的DNA免受外面的影响。再者,核纤层在细胞核内发生的至关重要的过程(如染色体组装,基因激活,以及细胞分裂之前的遗传物质复制)中起着关键性的作用。

如今,在瑞士苏黎世大学生物化学系细胞生物学教授Ohad Medalia的领导下,一个研究团队首次成功地详细阐明哺乳动物细胞中的核纤层的分子结构。他们利用低温电子断层扫描术研究了小鼠的成纤维细胞。论文第一作者Yagmur Turgay解释道,“这种技术将电子显微术和断层扫描术结合在一起,能够在准自然状态下可视化三维观察细胞结构。”这些细胞在零下190度下冻存在液态乙烷中而无需事先接受有害化学物的处理,因而将细胞结构保持在它们的原始状态。

Yagmur Turgay在描述这种核骨架的结构时,说道,“这种核纤层蛋白网络结构大约14纳米厚,直接位于核膜的核孔复合物下方,由或多或少密集堆积的区域组成。”这种核骨架是由薄薄的具有不同长度的细长结构(即核纤层蛋白丝)组成的。这些核纤层蛋白丝仅3.5纳米厚,要比形成位于高等生物中的细胞核外面的细胞骨架的那些结构更薄和更加脆弱。

6.Nature子刊:突破!科学家或有望开发出治疗多种人类疾病的新型药物靶向疗法
doi:10.1038/nsmb.3444


近日,一项刊登在国际杂志Nature Structural and Molecular Biology上的研究报告中,来自昆士兰大学的研究人员通过研究在分子水平上对免疫系统进行了深入地理解,相关研究或为开发治疗一系列疾病的新型疗法提供新的思路。

这项研究或为科学家们开发治疗多种疾病和感染的新型疗法奠定了一定基础,研究者Bostjan Kobe说道,本文研究中我们首次发现,toll样受体蛋白下游信号的发生或许在机体先天性免疫系统中扮演着关键角色,这些受体蛋白或许是一把双刃剑,从一方面来讲,其能够帮助机体抵御感染,同时其还负责针对一系列疾病产生病理性的炎性反应,比如慢性炎性疾病、自身免疫疾病、心血管疾病和癌症相关的疾病和感染相关症状等。

研究者认为,相关的信号通路或许能帮助他们开发治疗一系列疾病的新型药物;Kobe表示,信号组装结构或许能够为我们提供新的方法,利用理性的基于结构的方法来设计新型治疗性药物。这或许同之前澳大利亚研究人员开发出的吸入式流感药剂瑞乐沙(Relenza)类似,近些年来,研究人员发现了先天性的免疫受体,尤其是toll样受体。

随后Kobe说道,信号机制问题目前依然比较有争议,在过去15年里很多研究者提出了一些不正确的分子模型,但这些模型所依赖的数据却极为有限;因此我们设法对这些信号进行重新组装,利用低温电镜来确定其结构,同时提出决定性的证据来解释细胞中的信号机制。

7.Science:解析出酵母线粒体核糖体的结构
doi:10.1126/science.aal2415

线粒体是产生ATP的真核生物细胞器。它们有专用的核糖体,即线粒体核糖体(mitoribosome)。线粒体核糖体编码一些在ATP产生中不可或缺的膜蛋白。Nirupa Desai等人利用低温电子显微术解析出这种75组分酵母线粒体核糖体的高分辨率结构。线粒体核糖体与现代的细菌核糖体具有共同的祖先。酵母线粒体核糖体和哺乳动物线粒体核糖体的结构之间的比较结果提示着它们如何发生不同的进化,从而执行物种特异性的功能。

8.Science:科学家成功解析HIV病毒关键结构 攻克重大难题
doi:10.1126/science.aah5163

美国Salk研究所的科学家们最近解析了HIV 病毒中一个关键部分的原子结构,这个叫做整合体(intasome)的关键结构能够帮助HIV整合到人类宿主DNA并在体内复制。相关研究结果发表在国际学术期刊Science上,该研究有助于开发新的HIV治疗药物。

本文作者Dmitry Lyumkis表示:“HIV是一种非常聪明的病毒,学会了如何逃脱最好的药物。深入理解病毒逃逸机制,开发适用性更强的药物将会是未来研究的一个主要方向。”

在这项新研究中,研究人员使用了单颗粒低温电子显微镜,这种技术能够帮助科学家们对比较大的复杂动态分子进行图像捕捉。他们在病毒整合体上添加了一个特殊蛋白促进整合体在甘油中的溶解性,并加入了一些盐离子防止蛋白聚集成块。

9.Science:首次证实蛋白合成与mRNA降解在结构上存在关联
doi:10.1126/science.aaf7520


蛋白合成是由信使RNA(mRNA)编码的,而且当足够多地产生一种给定的蛋白时,编码它的mRNA会被降解。如今,在一项新的研究中,来自德国慕尼黑大学的研究人员证实蛋白合成和mRNA降解在结构上存在关联。相关研究结果近期发表在Science期刊上,论文标题为“The cryo-EM structure of a ribosome–Ski2-Ski3-Ski8 helicase complex”。

在所有细胞中,储存在DNA分子中的遗传信息编码用于蛋白合成的指令。这种遗传信息首先经转录产生mRNA,随后mRNA对被称作核糖体的分子机器进行编程,让这种分子机器将这些指令“翻译”为事先确定的氨基酸序列,即具有特定功能的蛋白。当一个mRNA分子不再需要或被识别为存在缺陷时,它被转运到一种被称作外切体(exosome)的蛋白复合体中。这种细胞器作为一种分子碎片机发挥作用,将mRNA切成它们的组成单元,而且这种切割是从它们的3’端开始的。如今,慕尼黑大学结构生物学家Roland Beckmann与来自德国马克斯普朗克生物化学研究所和法国巴斯德研究所的研究人员一起证实核糖体与降解mRNA的外切体存在直接的分子关联性。

一组被称作Ski复合体的蛋白在降解mRNA中发挥着至关重要的作用。这种复合体将这些mRNA分子转运到外切体中,而且通过这样做,这些mRNA分子解折叠它们自己的复杂的空间构象,从而使得它们遭受酶降解成为可能。Beckmann说,“利用低温电子显微镜成像技术,我们如今首次证实核糖体在结构上与Ski复合体相互作用,这主要是因为我们成功地分离出和可视化观察这种相互作用中关键性的中间物。”

10.Science:首次发现病毒操纵细菌细胞结构机制
doi:10.1126/science.aal2130


在一项新的研究中,来自美国加州大学圣地亚哥分校的研究人员首次描述非常大的病毒在感染期间如何重编程细菌细胞内的结构。这一重编程过程让这些外来入侵的病毒诱导细胞产生上百个新的病毒,最终让它们感染的细胞因发生爆裂而死亡。相关研究结果发表在2017年1月13日那期Science期刊上,论文标题为“Assembly of a nucleus-like structure during viral replication in bacteria”。

细菌缺乏很多在植物细胞或动物细胞中让细胞过程区室化的特殊结构。比如,细菌缺乏一种膜包围的细胞核。细胞核含有遗传信息,起着细胞控制中心的作用。不过,Pogliano实验室博士后研究员Vorrapon Chaikeeratisak和研究生Katrina Nguyen发现入侵的噬菌体让细菌内部发生结构重组,从而产生类似于在真核细胞中发现的那些结构。利用荧光显微镜,Chaikeeratisak和Nguyen发现当噬菌体在细菌细胞内复制时,它们构建区室从而将感染期间发生的不同过程分隔开来。

加州大学圣地亚哥分校化学与生物化学教授Elizabeth Villa和加州大学旧金山分校生物化学与生物物理学教授David Agard采用一种被称作低温电子断层扫描术(cryo-electron tomography, cryo-ET)的技术捕捉Chaikeeratisak和Nguyen起初在非常高的放大倍数下发现的那些过程的图像。

这些图像表明新的噬菌体颗粒在细菌的细胞核样区室(nucleus-like compartment)周围进行组装。最终,这些新的病毒颗粒让细胞发生爆裂并扩散出去,从而感染附近的细胞。

11.Nature子刊:突破!科学家首次阐明未成熟寨卡病毒的精细结构
doi:10.1038/nsmb.3352

最近,一项刊登在国际杂志Nature Structural & Molecular Biology上的研究报告中,来自普渡大学的研究人员通过研究鉴别出了未成熟寨卡病毒的高分辨率结构,这为后期科学家们深入阐明寨卡病毒感染宿主细胞以及扩散的分子机制提供了新的思路。

去年研究人员通过研究确定了成熟寨卡病毒的结构,对病毒结构的深入研究或许就能够帮助科学家们开发出新型有效的抗病毒疗法和疫苗。文章中研究者利用了一种名为低温电子显微检查技术在9?的分辨率下观察未成熟寨卡病毒的结构,研究者发现,病毒的基因组位于一种保护性外膜中,外膜包含了一种脂质膜、包膜蛋白、前体膜蛋白和衣壳蛋白;同时研究者还深入研究了不成熟病毒衣壳蛋白的位置,衣壳蛋白能够帮助研究人员识别病毒的遗传物质,同时其还能够作为一种伴侣分子来引导RNA链进入到病毒中进行组装。包膜蛋白对于病毒的结合、吸附以及同宿主细胞融合非常关键,同时膜蛋白还能够帮助成熟病毒分裂来使其从宿主细胞中释放出去。

对未成熟病毒结构进行研究能够帮助研究者阐明多种蛋白的精细结构,研究者指出,病毒的包膜蛋白和前体膜蛋白在病毒表面能够排列成为60个刺状样结构,衣壳蛋白就会位于脂质膜的内侧,这种结构不同于成熟寨卡病毒,成熟病毒中的膜蛋白能够被包膜蛋白所覆盖,相关研究结果同时还阐明了不成熟寨卡病毒和其它不成熟黄病毒之间的结构差异,值得注意的是,在其它不成熟的黄病毒中部分有序的衣壳蛋白壳似乎就没有那么重要了。

12.Nat Protocols:利用低温光学和电子显微镜联合技术观察并研究活体病毒
doi:10.1038/nprot.2016.168


光镜和电镜研究领域的巨大进步目前正在改善科学家们对多种病毒可视化研究的能力,比如HIV、呼吸道合胞体病毒、麻疹病毒、流感病毒以及寨卡病毒等,近日,一项刊登在国际杂志Nature Protocols上的研究报告中,来自埃默里大学医学院等研究机构的研究人员通过研究开发出了一种新型的低温相关的光镜和电镜工作流(工作站,cryo-CLEM)。

此前研究中,研究者对纯化的病毒进行研究能够获取多种已知病毒电子显微镜图像,然而病毒纯化的过程常常会使得包膜病毒的结构发生改变,因此研究者Wright及同事就对当前技术进行了改善来研究病毒的结构特性,因此如今研究者就能够清楚观察到病毒进入细胞并在细胞中组装的信息了。研究者表示,我们非常想知道某些病毒如何在细胞中复制,如今我们在光镜和电镜之间建立了一种“桥梁”,我们希望通过这种联合技术能够更加清楚地观察病毒的作用机制。

文章中,研究者首先在脆性碳覆盖的黄金网格中对病毒感染或转染的细胞进行培养,随后进行玻璃化操作,即对细胞快速冷却以免冰晶形成,一旦细胞被冷却研究人员就能够利用低温荧光显微镜和低温电子断层扫描术对细胞进行研究,低温(负150度以下)对于这两种技术而言非常必要,而且样品玻璃化后进行光学显微镜检查还能够抑制细胞继续生长以及位置发生改变。

研究者指出,利用低温电子断层扫描术获得的数据还能够帮助我们在高分辨率下获取单一完整病毒和病毒蛋白的图像,这项研究中研究者对呼吸道合胞体病毒进行了研究,他们发现,候选减毒活疫苗在结构上同呼吸道合胞体病毒结构非常相似。这种名为cryo-CLEM的新技术能够对扁平生长的细胞进行研究,因为标准的光束并不能够穿透厚度大于1微米的细胞,而哺乳动物的细胞通常有几微米宽,而诸如HIV等病毒大约为0.1微米。(生物谷 Bioon.com)

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