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Science深度综述:冷冻电镜的激荡40年

2018/09/17 来源:药明康德
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导读
最近,顶尖学术期刊《科学》杂志出版了“变革生物学的技术”特刊,为我们详细介绍了数种目前正在给生物学领域带来革新的重磅技术。在这篇文章中,药明康德微信团队将与各位读者朋友们一道,了解冷冻电镜技术走过的激荡40年,以及它能如何影响未来的新药研发。
本文转载自“药明康德”。

“It is very easy to answer many fundamental biological questions; you just look at the thing!”——1965年诺贝尔物理学奖得主理查德•费曼教授

正如费曼教授所言,结构生物学的核心正在于“看清事物”。只要分辨率足够高,能看清诸多生物分子在原子层面上的细节,它们的工作方式也就不言自明了。也正是由于这个原因,从历史上看,结构生物学领域做出的发现,带来了许多生物学突破,也推动了不少创新疗法的开发。


在诸多让人类“高清看世界”的技术里,X射线晶体学是生物学家们使用最多的技术之一,也让人类获得了大量生物大分子的结构。但这种方法需要事先获取这种大分子的晶体。尽管许多蛋白质和一些稳定的复合体能产生质量足够高的晶体,但对于膜蛋白或动态的复合体来说,获取晶体就不是那么容易。

我们能不依赖于晶体获取,直接“观察”这些大分子吗?自上世纪70年代起,许多先驱尝试使用基于电子显微镜的方法来解决这个问题。最初,它的分辨率并不尽如人意。但经历了40年的发展,冷冻电镜技术取得了突破,一跃成为了结构生物学的主流工具之一,与X射线晶体学形成了完美的互补。

单粒子冷冻电镜的诞生

事实上,想通过电子显微镜来看清生物大分子,并不是一件容易的事。首先,和通常的照片一样,电子显微镜获取的图像是二维的,而生物大分子的结构是三维的。这一问题通过一个巧妙的方法得到了解决:对于同一个生物大分子,我们可以从不同的角度获取它的二维图片。将这些图片整合到一起,就可以重建出三维的结构。

而电子显微镜遇到的另一个问题,曾一度被认为是它的致命硬伤——为了达到最佳效果,电子束必须处于真空环境之中。于是,这些样本也必须位于同样的真空里。对于生物大分子来说,这就造成了严重问题:真空导致的脱水会对样本的结构完整性带来破坏性的影响。从机制上看,用电子显微镜来观察生物大分子就好像是个不可能完成的任务。


▲将样品“冻起来”,可以保留生物大分子的完整性(图片来源:By Vossman [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) or CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], from Wikimedia Commons)

1974年发表在《科学》杂志上的一项研究彰显了人类的智慧。在加州大学伯克利分校,还是在读研究生的Kenneth Taylor与其导师Robert Glaeser教授表明,生物大分子的结构完整性,可以通过将它们“冻起来”而得到保留。这一发现在上世纪80年代被Jacques Dubochet教授及其同事们发扬光大,基于这一发现开发的样本制备技术时至今日都没有出现很大的改动。

研究人员们也指出了电子显微镜的第三个问题——高能电子束带来的辐射可能会对生物学样本造成破坏,从而限制了电子束的强度。而电子束较弱的结果,便是过低的信噪比。Richard Henderson教授等人提出的一个解决方案,将晶体学中的技术应用到电子显微镜成像过程中。利用电子晶体学(electron crystallography)技术,人们取得了一系列进展,解析出的结构分辨率最高达1.9 Å。


▲三位在冷冻电镜领域做出开拓性贡献的科学家共享了2017年的诺贝尔化学奖(图片来源:The Nobel Prize in Chemistry 2017. NobelPrize.org. Nobel Media AB 2018. Wed. 12 Sep 2018. <https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2017/summary/>)

而Joachim Frank教授则希望能够规避结晶这一手段来确认蛋白质的结构。他提出,通过对同一种蛋白粒子进行大量的独立拍摄,再通过计算机来整合这些图片,有望能获得高清的结构。这一创新的想法与样本的冷冻制备相结合,成为了如今我们熟悉的“单粒子冷冻电镜”(single-particle cryo-EM)。Frank教授、Dubochet教授、以及Henderson教授三人也共享了2017年的诺贝尔化学奖。

结构生物学的新纪元

单粒子冷冻电镜技术为结构生物学带来了新的突破,使其迈入了新纪元。原本难以结晶的目标,其结构也能展现在人类面前,膜蛋白就是这样的例子。在这篇综述中,加州大学旧金山分校的程亦凡教授介绍了冷冻电镜如何协助我们获得了瞬态受体电位(TRP)离子通道的结构。


▲本篇《科学》综述的作者程亦凡教授(图片来源:程亦凡教授实验室官网)

TRP通道超家族分为7大类,在人类中总共有27个成员,每一个通道都有着特定的生理功能,其中一些也有望成为治疗人类疾病的靶点。但除了这些通道里的少数小型结构域外,人们对这些通道的结晶尝试往往以失败而告终,这也限制了对这些靶点的进一步开发。

2013年,这一困境迎来了终结。当年,《自然》上的两篇论文利用单粒子冷冻电镜技术,获取了TRPV1离子通道位于三种不同状态下的结构,让我们更好地理解了其“感受热量,激活疼痛通路”的作用。TRPV1结构的获得再次强调了冷冻电镜的巨大潜力——当“获取晶体”这一限速步骤被移除后,我们能够以极快的速度获得膜蛋白的原子结构。据统计,在不到5年的时间里,每一类TRP通道,均有至少1个成员的结构得到了解析。

对于大型的动态复合体来说,冷冻电镜更是让原本无法通过结晶获取的结构呈现在了人类面前,剪接体就是极佳的例子。过去,人们要么只能获得其中片段的原子结构,要么只能获得分辨率较低的整体结构。而在单粒子冷冻电镜的协助下,在几年里,我们就获得了剪接体在不同工作状态下的结构,从而拼接出了它工作的完整画面。这在过去是难以想象的。

冷冻电镜领域前所未有的发展速度,也吸引了诸多医药企业的关注。它们期望能够应用这一技术,优化药物的发现过程。

医药企业的尝试

在去年11月的一篇《Nature Reviews Drug Discovery》综述中,作者Mark Peplow博士为我们盘点了药企在冷冻电镜领域的布局与尝试。

对于大型药企来说,在公司内部的建立冷冻电镜能力是其布局的主要方向——基因泰克在组建内部的冷冻电镜团队;辉瑞斥资500万英镑使用新款的冷冻电镜;诺华通过与Friedrich Miescher研究所的合作也构建了自己的冷冻电镜中心。诺华生物医药研究所(NIBR)的蛋白质科学负责人Christian Wiesmann说,他们的冷冻电镜中心已经初见成效。利用冷冻电镜技术,他们获得了一款蛋白与一种小分子结合时的结构,这能指导药物化学的开发。

对于另一些药企或生物技术公司来说,他们决定组成联盟,共同使用冷冻电镜工具。这一方面是出于成本的考量,但更重要的是,这种联盟能够促进经验的交流。在英国,剑桥医药冷冻电镜联盟(Cambridge Pharmaceutical Cryo-EM Consortium)就是这样的例子——在5家药企的合作下,这一联盟获得了超过300万英镑的资金,于2016年正式启动。


去年5月,该联盟的成员之一阿斯利康发表了一篇论文,揭示了人类突变ATM蛋白的结构。ATM蛋白是一类大型激酶,与DNA的修复有关,在癌症发病中有潜在的作用。而研究人员们获得的结构,其分辨率为4.4Å,足以看清其两个构象,其中一个处于“打开”状态,可以结合底物;另一个则处于“关闭”状态。这些发现带来了该蛋白的首个高清结构,也表明它作为分子开关的重要作用。

该联盟的另一个成员Heptares则在探索GPCR的结构。作为一类膜蛋白,它们通常会因为分离过程而失去正常的结构与活性,因此难以通过常规的结晶手段制备样本。但冷冻电镜技术则没有这样的困扰。目前,我们获得的GPCR结构已能让我们看清它们与大型多肽相结合时的结构。它们与小分子结合时的高清结构,会是研究人员们未来的研究方向。

冷冻电镜的未来

冷冻电镜领域在过去40年里发生了重大的改变,而这一技术还有不少可以提高的空间。其中的一大关键在于进一步提高分辨率,达到2Å左右,另一大关键在于提高使用的效率。如果我们能够快速获得大批样品的高清结构,无疑将加速这项革命性技术在医药领域的应用。

此外,硬件与软件的升级,也将提升冷冻电镜的能力。更好的光学系统、更好的检测器、更好的算法软件,都能让冷冻电镜在现有的基础上如虎添翼。正如一些业内资深人士指出的那样,要实现这样的功能迭代,让冷冻电镜成为新药发现的常规工具,或许还需要5到10年的时间。但对于诸多医药与生物技术公司而言,目前或许是将这一工具整合至研发系统中的最佳时机。

本文题图来自Pixabay(https://pixabay.com/en/lumber-wood-background-tree-log-84678/)

参考资料:

1)Y Cheng (2018), Single-particle cryo-EM—How did it get here and where will it go, Science, https://doi.org/10.1126/science.aat4346

2)M Peplow (2017), Cryo-electron microscopy makes waves in pharma labs, Nature Reviews Drug Discovery, https://doi.org/10.1038/nrd.2017.240

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