【5篇Cell、Nature、Science】冷冻电镜分辨率突破2Å,颜宁等科学家连发新成果!
2016/05/31
发表在Cell上的一项研究中,NCI的Sriram Subramaniam博士领导的研究小组使用冷冻电镜突破了可视化蛋白质的技术壁垒。他们不仅用单颗粒冷冻电镜获得了小于100 kDa的蛋白复合体结构,还让这一技术的分辨率突破了2 Å。


From left to right, show improving resolutions in atomic detail of proteins and drug binding sites.(National Cancer Institute)

5月26日,发表在Cell上的一项研究中,美国国家癌症研究所(NCI)的Sriram Subramaniam博士领导的研究小组使用冷冻电镜(cryo-EM)突破了可视化蛋白质的技术壁垒。他们不仅用单颗粒冷冻电镜获得了小于100 kDa的蛋白复合体结构,还让这一技术的分辨率突破了2 Å。

研究人员通过单颗粒冷冻电镜解析了异柠檬酸脱氢酶(IDH1,93 kDa)的高分辨率结构,鉴定了小分子抑制剂(ML309)与IDH1结合时的构象改变;同时还报告了乳酸脱氢酶(145 kDa) 和谷氨酸脱氢酶(334 kDa)的结构,分辨率分别达到2.8Å和1.8Å。

NCI的代理主任Doug Lowy博士说:“这一研究表明,药物研发人员现在有望通过cryo-EM技术观察变化的药物结构产生的影响,从而对药物进行调整。”Subramaniam表示,能够利用cryo-EM在如此高的细节层面上可视化潜在候选药物复合物的结构是非常令人兴奋的。这将加速和改变药物研发的过程。


同期Cell中国科学家冷冻电镜新成果

同日,发表在Cell上的另一项研究中,清华大学颜宁研究组与中科院微生物所高福院士研究组首次报道了人源胆固醇转运蛋白NPC1的4.4 Å分辨率冷冻电镜结构,探讨了NPC1和NPC2介导细胞内胆固醇转运的分子机制;同时还报道了NPC1与埃博拉病毒GPcl蛋白复合体6.6 Å分辨率的冷冻电镜结构,为理解NPC1介导埃博拉病毒入侵的分子机制提供了分子基础。


人源NPC1蛋白(左)及其与埃博拉病毒GPcl蛋白复合体(右)的结构模型

据介绍,Niemann-Pick疾病是一类因为脂类代谢失常而导致的罕见遗传疾病,NPC1功能异常是C型Niemann-Pick疾病的主要因素。NPC1除了在细胞内的胆固醇转运过程中发挥了重要功能,过去几年的研究发现它在埃博拉病毒的入侵过程中发挥了不可或缺的功能,是细胞内的埃博拉病毒受体。

1月15日,高福院士研究组在Cell 杂志在线发表了题为“Ebola Viral Glycoprotein Bound to Its Endosomal Receptor Niemann-Pick C1”的研究,该文章报道了埃博拉病毒的表面融合蛋白GPcl与NPC1结构域C的晶体结构,发现结构域C主要利用两个突出来的环状结构插入激活态糖蛋白头部的疏水凹槽里,从而发生相互作用。

人源NPC1是一个全长1278个氨基酸并含有13次跨膜螺旋的膜蛋白,其比较小的分子量对于利用电镜进行结构生物学研究是一个挑战。在最新的这篇Cell论文中,颜宁研究组的周强博士发展了新型的“随机相位3D分类”方法,从而将这一并不十分稳定的单体膜蛋白结构解析到4.4 Å,该方法有望推广到对于类似生物大分子的结构解析。

近期冷冻电镜Nature、Cell、Science部分新成果

Diverse roles of assembly factors revealed by structures of late nuclear pre-60S ribosomes

中外科学家揭示酵母核糖体组装前体的高分辨冷冻电镜结构 [文献]

近几周Nature、Cell、Science等顶级期刊上发表了多项冷冻电镜相关的研究成果。5月25日,清华大学高宁研究组与合作者在Nature杂志在线发表的研究论文报道了位于酵母细胞核内的一系列组成上和结构上不同的核糖体60S亚基前体复合物的冷冻电镜结构,确定了近20种装配因子在核糖体上的结合位置及其原子结构。


酵母核糖体大亚基组装中间体的3.08埃冷冻电镜结构。(a:3.08 Å冷冻电镜密度图,核糖体蛋白颜色为米色,核糖体RNA颜色为灰色;b:19个装配因子的原子模型。)

该研究纯化了酵母细胞内源的核糖体组装中间体,并运用冷冻电镜三维重构方法,得到一系列不同状态的三维结构。其中一种状态的三维结构分辨率达到3.08 Å,其核心部分的分辨率可达2.8 Å,是核糖体组装国际领域迄今为止分辨率最高的结构。基于这一冷冻电镜结构,本文作者获得了19种组装因子(全长或者片段)的原子模型。更为重要的是,结构信息阐释了两个重要的调控GTP酶Nog2和Nog1的生理功能及其可能的分子机制。它们作为中心枢纽蛋白与多种不同的装配因子以及有功能活性的核糖体RNA片段相互作用,在复合物的结构重塑以及跨核膜输出过程中发挥重要的作用。

Structure of spinach photosystem II–LHCII supercomplex at 3.2 Å resolution

我国科学家破解光合作用超分子结构之谜 [文献]

5月18日,在线发表于Nature上的一项研究中,中国科学院生物物理研究所柳振峰研究组、章新政研究组与常文瑞/李梅研究组通力合作,通过单颗粒冷冻电镜技术,在3.2Å分辨率下解析了高等植物(菠菜)光系统II-捕光复合物II超级膜蛋白复合体(PSII-LHCII supercomplex)的三维结构。


菠菜PSII-LHCII复合物整体结构(顶视图)

研究人员发现,该复合体包含25个蛋白亚基、105个叶绿素分子、28个类胡萝卜素分子和众多的其他辅因子,组成捕光天线系统、反应中心系统以及一个能在常温常压下裂解水释放氧气的放氧中心等三个部分的结构。在此基础上,光系统II获取、传递和转换光能的机制也得以揭示。

在每个菠菜PSII核心复合物的外周,结合了主要捕光复合物LHCII三聚体,以及分子量分别为29 kD和26 kD的次要捕光复合物CP29和CP26。该项工作首次解析了CP29的全长结构和CP26的结构,并发现了这三个不同外周捕光复合物与核心复合物之间相互装配和识别的机制和位点。在准确指认了外周捕光复合物与核心复合物界面上的三个小亚基的基础上,合理解释了它们在介导二者之间装配以及稳定超级复合物方面的作用。

Molecular architecture of the inner ring scaffold of the human nuclear pore complex

科学家进一步揭示核孔复合体结构 [文献]

4月15日,发表在Science上的一项研究中,EMBL的科学家们进一步揭示了核孔复合体的结构。核孔复合体含有一千个蛋白亚基,镶嵌在细胞核的核膜上,控制着细胞核与细胞质之间的物质运输。许多病毒通过核孔将自己的遗传物质注入宿主细胞核,而且核孔会在细胞癌变的时候发生变化。此前,科学家们已经对核孔的许多部件有所了解,但还不清楚这些部件是如何组装在一起的。

核孔复合体由三层环组成:朝向细胞核的核质环、朝向细胞质的胞质环,以及它们之间的内环。领导该研究的Martin Beck团队此前已经解析了核质环和胞质环,这一研究中他们通过冷冻电镜技术揭示了内环的结构。令人惊讶的是,内环虽然由不同的元件组成,但它的基本构架跟另外两个环相同。

特别备注:本文部分内容编译自NIH,部分内容参照自清华大学生命科学学院、中国科学院微生物研究所、中国科学报、生物通。

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