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近期结构生物学研究进展一览

来源:本站原创 2019-05-20 22:20

2019年5月21日 讯 /生物谷BIOON/ --本期为大家带来的是结构生物学领域的最新研究进展,希望读者朋友们能够喜欢。

1. Nat Microbiol:新结构生物学研究揭示病原体入侵宿主机制

DOI: 10.1038/s41564-019-0427-4


虽然导致胃癌、百日咳,军团病等危险性疾病的病原菌各不相同,但它们都利用相同的分子机制来感染人体细胞。细菌使用这种称为IV型分泌系统(T4SS)的机器将有毒分子注入细胞,并传播基因对抗抗生素的杀伤。现在,加州理工学院的研究人员已经从人类病原体——军团菌嗜肺军团菌中揭示了T4SS的3D分子结构。这可能在将来能够为上述疾病开发精确靶向的抗生素。

>这项工作是在生物物理学和生物学教授Grant Jensen以及Howard Hughes医学研究所研究员的实验室中与圣路易斯华盛顿大学医学院(WUSTL)的Joseph Vogel实验室合作完成的。相关结果发表在“自然微生物学”杂志上。

细菌共有九种不同类型的细菌分泌系统,其中IV型是最精细和多功能的。 T4SS可以将多种有毒分子从细菌运送到靶细胞内部,劫持细胞功能并摧毁细胞的防御。

2017年,加州理工学院博士后Debnath Ghosal和他的合作者使用了一种称为电子冷冻断层扫描的技术,首次揭示军团菌中T4SS的整体低分辨率结构,这种细菌会导致严重且通常致命的疾病肺炎的发生。

Ghosal与WUSTL的Kwangcheol Jeong及其同事现在已经得到了这种动态多组件机器的详细结构模型。该团队还对细菌的基因进行了精确的突变,以研究T4SS的突变形式,揭示了这种复杂的机器如何组织和组装。该模型显示,分泌系统由一个独特的腔室和一个长通道组成。表征T4SS的这些和其他组成部分可以开发精确靶向的抗生素。


2. Science:从结构上揭示当细胞遭受应激时eIF2阻止蛋白表达机制

DOI: 10.1126/science.aaw4104.


在一项新的研究中,来自日本理化研究所生物系统动力学研究中心的研究人员开发出一种预防神经退行性疾病的工具。他们展示了一种观察当细胞遭受应激时通过eIF2B调控eIF2激活的分子机制的方法。相关研究结果发表在2019年5月3日的Science期刊上,论文标题为“Structural basis for eIF2B inhibition in integrated stress response”。他们在这篇论文中描述了他们通过使用低温电镜更好地了解细胞在遭受应激时会发生什么。

细胞持续地经历一种称为翻译的过程,在这种过程中,细胞质中的核糖体以DNA转录后产生的RNA作为模板合成蛋白。但是,有时,这种过程被外部事件打断。这样的事件称为应激---紫外线暴露就是一个常见的例子。这些研究人员指出蛋白翻译需要使用大量能量,因此,当应激事件发生时,细胞将它关闭是说得通的,毕竟这会节省能量并降低合成的蛋白出错的机会。

之前的研究已表明当细胞“感知”应激时,翻译起始因子eIF2被磷酸化。在正常情况下,eIF2由另一种翻译起始因子eIF2B激活。但是,当细胞处于应激状态并且eIF2被磷酸化时,eIF2B的功能受到抑制,从而阻止蛋白翻译。科学家们一直在努力了解因应激导致的翻译中断所涉及的分子机制,但是eIF2B激活eIF2的方式仍然未知。在这项新的研究中,这些研究人员找到了一种方法来查看细胞核内部,以便观察在遭受应激期间蛋白合成停止时实际发生了什么。

这些研究人员使用低温电镜观察了eIF2和eIF2B的结构。通过这样做,他们发现当与eIF2B结合时,eIF2的定向差异很大,这取决于eIF2是否被磷酸化。他们还发现eIF2B具有双重对称结构,而且eIF2的磷酸化可被认为是一种不仅阻止磷酸化eIF2激活而且还阻止其他翻译起始因子激活的机制。

doi:10.1126/science.aav0778.


在一项新的研究中,来自瑞士苏黎世联邦理工学院、保罗谢勒研究所和苏黎世大学的研究人员阐明了一种通过细胞膜将信息传递到细胞内部的信号通路的一个重要部分。相关研究结果发表在2019年4月26日的Science期刊上,论文标题为“The structure of a membrane adenylyl cyclase bound to an activated stimulatory G protein”。

所有活细胞的内部通过细胞膜与外界隔开。细胞膜保持细胞完整,并保护它们免受负面影响。但它们也是传递营养物和信息的障碍。因此,细胞膜含有能够选择性地获取所需物质或将信息从外部信号传递到细胞中的机制。

哺乳动物中的一个重要信号通路由三个组分组成:第一个组分是识别信号并被它激活的受体。第二个组分是所谓的G蛋白,它与活化的受体结合并将信号传递给一种或多种效应蛋白。在这种情形下,效应蛋白是腺苷酸环化酶(denylyl cyclase),即这个信号通路的第三个组分。这种酶被G蛋白的一个亚基激活,并在一种生化反应中产生一种称为环腺苷酸(cAMP)的第二信使。

cAMP引发细胞内的各种反应,比如,在心脏细胞中,它增加了细胞膜对钙离子的通透性,从而导致心率增加。

如今,在这项新的研究中,这些研究人员借助于电子显微镜研究了一种特殊类型的腺苷酸环化酶,并且在3.4埃的分辨率下解析出这种这种类型的膜蛋白的迄今为止最为详细的三维结构图。

论文通讯作者、苏黎世联邦理工学院生物化学研究所助理教授和保罗谢勒研究所生物与化学部门信号转导机制研究组负责人Volodymyr Korkhov说道,“要了解细胞中的信号通道如何发挥作用,首先就必须详细地了解它所涉及的组分是什么样子。我们的研究为阐明腺苷酸环化酶在cAMP信号链中的确切功能作出了重要贡献。”

Korkhov说,“令人吃惊的是,在确定与G蛋白的α亚基结合在一起时的腺苷酸环化酶的结构时,我们发现这种蛋白似乎能够进行自我抑制。”这种蛋白的一部分负责这种自我抑制。这一部分阻断这种酶的活性位点,从而阻止cAMP过量产生。

对腺苷酸环化酶的分子结构的这种新见解提供了对外部信号如何导致重要的第二信使cAMP的受控产生的更好理解。细胞中的cAMP浓度在心血管疾病、某些肿瘤和2型糖尿病的产生中起着重要的作用。Korkhov解释道:“在未来,我们的新研究结果有助于鉴定出抑制或激活腺苷酸环化酶的药物,这取决于导致疾病的原因是cAMP过量产生还是cAMP缺乏。”

这些研究人员使用低温电子显微镜(cryo-EM,低温电镜)获得了他们的结果。这种形式的透射电子显微镜在低于-150摄氏度的温度下运作。待检测的样品在液体乙烷中快速冷冻,因而保持它的天然结构。这种方法越来越多地用于生物结构的研究。论文第一作者、Korkhov实验室博士生Chao Qi说,“深入了解腺苷酸环化酶的结构是令人兴奋的。自从发现这种蛋白以来,它的结构是难以捉摸的,我很高兴我能够在我的博士研究生涯中利用低温电子显微镜阐明这种结构。”


4. Science:揭示大脑中关键电学开关的结构

DOI: 10.1126/science.aaw8250


科学家们已经揭示了大脑中和学习、记忆、行为和心情有关的关键受体的结构。这项新研究发表在《Science》上,研究人员第一次揭示了AMPA受体处于天然状态下的结构。这项发现将为揭开一系列神经系统障碍和疾病背后的机制带来新思路。

“大脑中有一些基本的电学开关。”该研究通讯作者、俄勒冈健康与科学大学(Oregon Health and Science University,OHSU) Vollum研究所资深科学家及霍华德·休斯医学研究所研究员Eric Gouaux博士说道。“如果这些开关不正常工作,大脑功能就会受损,这可能会导致疾病突然发作,记忆丢失和像阿尔兹海默症这样的神经退行性疾病。”

来自美国OHSU和西北太平洋国家实验室(PacificNorthwestNationalLaboratory,PNNL)能源部的科学家们一起使用冷冻电子显微镜和质谱揭示了啮齿类动物体内AMPA受体的结构和亚基排列。AMPA受体由神经递质谷氨酸盐激活,形成可渗透的离子通道,在整个神经系统的细胞间传递信号。通过揭开啮齿类动物体内这个受体工作结构的组成,科学家们能够从死亡人体的大脑中分离出相同的结构并进行比较,可能因此找到健康人的AMPA受体和患神经退行性疾病的人的AMPA受体的结构和组成之间的差别。

“这令我们十分兴奋。”Gouaux说道。“尽管结果不一定如意,但是我们想做的是研究清楚患病人体内的这些受体与健康人的受体之间的差别,从而找到可能的治疗方法。如果我们能够找到这些疾病的新机制,这将为开发新疗法提供新思路。”

而为结构生物学带来革命性突破的冷冻电子显微镜技术为这项研究奠定了基础,科学家们可以使用冷冻透射电镜研究受体在天然状态下的结构,使得研究人员可以在近乎原子尺度的水平观察生物分子。

“这是一项非常敏感的技术,而你只需要很少量的分子就可以进行检测分析。”Gouaux说道。“现在我们才是真正在这些受体的天然状态下观察它们的结构。”


5. Science:中美科学家解析出人甲状旁腺激素受体-1的三维结构

doi:10.1126/science.aav7942.


在一项新的研究中,来自中国科学院、浙江大学医学院、复旦大学和美国匹兹堡大学、文安德尔研究所、麻省总医院和哈佛医学院的研究人员构建出一种分子复合物的三维图片,这可能有助于开发出更好地治疗骨质疏松症和癌症但具有更少副作用的药物。这些近原子分辨率图片描述了人甲状旁腺激素受体-1(parathyroid hormone receptor-1, PTH1R)的结构。相关研究结果发表在2019年4月12日的Science期刊上,论文标题为“Structure and dynamics of the active human parathyroid hormone receptor-1”。论文通讯作者为浙江大学医学院的张岩(Yan Zhang)、中国科学院上海药物研究所的王明伟(Ming-Wei Wang)、徐华强(H. Eric Xu)和匹兹堡大学的Jean-Pierre Vilardaga。

PTH1R是一种给细胞传递信号的分子,可与两种关键信使相互作用,其中的一种信使是一种模拟甲状旁腺素(PTH)的分子,可调节体内的钙水平,另一种信使是一种刺激性的G蛋白,可调节骨转换。这种分子复合物是由人PTH1R、PTH模拟物和刺激性的G蛋白组成的。

这些发现给科学家们提供了一个更好的蓝图,可用于开发治疗骨质疏松症以及恶病质(chachexia)等其他疾病的药物,其中恶病质可引起严重的虚弱和体重减轻,这对癌症患者来说可能是致命的。

在全球范围内,2亿多人患有骨质疏松症,甚至更多的人具有较低的骨密度。在未来几年,公共卫生专家预计这些数字会上升,部分原因是人口老龄化。他们还担心骨质疏松症相关骨折的增加是因担忧罕见的副作用而服用现有药物的人较少。

自从80年前甲状旁腺激素被发现以来,对所有这些分子如何结合在一起的理解一直是一个长期令人费解的难题。这是向前迈出的一大步,这有朝一日将能帮助世界各地的人们。

PTH1R是细胞与其环境之间的分子通讯管道,可促进骨骼、皮肤和软骨的发育,并调节血液中的钙水平。为此,它与诸如甲状旁腺激素之类的分子信使相互作用,从而确保血液中含有适量的钙来维持健康的功能。然而,过多的甲状旁腺激素会对身体造成严重破坏,让血液中的钙含量达到危险水平,从而促进肾结石形成并让钙从骨骼中流出,这可能导致破坏性的骨折。太少的甲状旁腺激素会降低代谢,导致疲劳、体重增加、抑郁和许多其他问题。

这些新发现还提供了对一类称为G蛋白偶联受体(G protein-coupled receptor, GPCR)的信号分子的新见解,其中PTH1R就属于GPCR。总的来说,GPCR是目前市场上近30%的药物的靶标。

众所周知,使用传统的X射线晶体学方法很难可视化观察GPCR;到目前为止,在总共800多种GPCR中,人们仅解析出大约40种的三维结构。为了可视化观察这种分子复合物的结构,这些研究人员使用了一种称为低温电镜(cryo-EM)的突破性技术,该技术能够以前所未有的清晰度对分子进行成像,并且可以更容易地对嵌入细胞膜中的GPCR等分子进行成像。


6. Nature:我国科学家解析出人LAT1–4F2hc异聚氨基酸转运蛋白复合物的三维结构

doi:10.1038/s41586-019-1011-z.


L型氨基酸转运蛋白1(LAT1,也称为SLC7A5)以一种不依赖于钠和pH的方式触发较大中性氨基酸的跨膜渗透。作为APC超家族(amino acid–polyamine–organocation superfamily)中的一种反向转运蛋白,LAT1促进甲状腺激素、药物和L-3,4-二羟基苯丙氨酸等激素前体跨膜渗透。

人们已在多种肿瘤细胞中观察到LAT1过量表达,因此,它也是抗癌药物的一种潜在的靶标。

LAT1与4F2细胞表面抗原重链(4F2hc,也称为SLC3A2)形成一种异聚氨基酸转运蛋白复合物,其中4F2hc是一种II型膜糖蛋白,而且也是LAT1保持稳定性和定位到质膜中所必需的。

尽管对LAT1-4F2hc复合物进行了广泛的基于细胞的表征,并且在细菌中对它的同源物进行了结构解析,但是LAT1和4F2hc之间的相互作用以及这种复合物的工作机制仍然在很大程度上是未知的。

在一项新的研究中,来自中国西湖大学和清华大学的研究人员分别在分辨率3.3Å和3.5Å 下解析出LAT1-4F2hc单独时和与抑制剂2-氨基-2-2-amino-2-norbornanecarboxylic acid结合在一起时的低温电镜结构。相关研究结果发表在2019年4月4日的Nature期刊上,论文标题为“Structure of the human LAT1–4F2hc heteromeric amino acid transporter complex”。论文通讯作者为西湖大学特聘研究员周强(Qiang Zhou)。

LAT1表现出向内开放的构象。除了二硫键结合外,LAT1还在细胞外侧、膜内和细胞内侧与4F2hc广泛地发生相互作用。生化分析表明4F2hc对于这种复合物的转运活性至关重要。

综上所述,这些研究结果阐明了LAT1-4F2hc复合物的结构,并对它的功能和可能与疾病相关的机制提供新的认识。(生物谷Bioon.com)
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