【5篇Cell、Nature、Science】冷凍電鏡分辨率突破2?,顏寧等科學家連發新成果!
2016/05/31
發表在Cell上的一項研究中,NCI的Sriram Subramaniam博士領導的研究小組使用冷凍電鏡突破了可視化蛋白質的技術壁壘。他們不僅用單顆粒冷凍電鏡獲得了小于100 kDa的蛋白復合體結構,還讓這一技術的分辨率突破了2 ?。


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

5月26日,發表在Cell上的一項研究中,美國國家癌癥研究所(NCI)的Sriram Subramaniam博士領導的研究小組使用冷凍電鏡(cryo-EM)突破了可視化蛋白質的技術壁壘。他們不僅用單顆粒冷凍電鏡獲得了小于100 kDa的蛋白復合體結構,還讓這一技術的分辨率突破了2 ?。

研究人員通過單顆粒冷凍電鏡解析了異檸檬酸脫氫酶(IDH1,93 kDa)的高分辨率結構,鑒定了小分子抑制劑(ML309)與IDH1結合時的構象改變;同時還報告了乳酸脫氫酶(145 kDa) 和谷氨酸脫氫酶(334 kDa)的結構,分辨率分別達到2.8?和1.8?。

NCI的代理主任Doug Lowy博士說:“這一研究表明,藥物研發人員現在有望通過cryo-EM技術觀察變化的藥物結構產生的影響,從而對藥物進行調整?!盨ubramaniam表示,能夠利用cryo-EM在如此高的細節層面上可視化潛在候選藥物復合物的結構是非常令人興奮的。這將加速和改變藥物研發的過程。


同期Cell中國科學家冷凍電鏡新成果

同日,發表在Cell上的另一項研究中,清華大學顏寧研究組與中科院微生物所高福院士研究組首次報道了人源膽固醇轉運蛋白NPC1的4.4 ?分辨率冷凍電鏡結構,探討了NPC1和NPC2介導細胞內膽固醇轉運的分子機制;同時還報道了NPC1與埃博拉病毒GPcl蛋白復合體6.6 ?分辨率的冷凍電鏡結構,為理解NPC1介導埃博拉病毒入侵的分子機制提供了分子基礎。


人源NPC1蛋白(左)及其與埃博拉病毒GPcl蛋白復合體(右)的結構模型

據介紹,Niemann-Pick疾病是一類因為脂類代謝失常而導致的罕見遺傳疾病,NPC1功能異常是C型Niemann-Pick疾病的主要因素。NPC1除了在細胞內的膽固醇轉運過程中發揮了重要功能,過去幾年的研究發現它在埃博拉病毒的入侵過程中發揮了不可或缺的功能,是細胞內的埃博拉病毒受體。

1月15日,高福院士研究組在Cell 雜志在線發表了題為“Ebola Viral Glycoprotein Bound to Its Endosomal Receptor Niemann-Pick C1”的研究,該文章報道了埃博拉病毒的表面融合蛋白GPcl與NPC1結構域C的晶體結構,發現結構域C主要利用兩個突出來的環狀結構插入激活態糖蛋白頭部的疏水凹槽里,從而發生相互作用。

人源NPC1是一個全長1278個氨基酸并含有13次跨膜螺旋的膜蛋白,其比較小的分子量對于利用電鏡進行結構生物學研究是一個挑戰。在最新的這篇Cell論文中,顏寧研究組的周強博士發展了新型的“隨機相位3D分類”方法,從而將這一并不十分穩定的單體膜蛋白結構解析到4.4 ?,該方法有望推廣到對于類似生物大分子的結構解析。

近期冷凍電鏡Nature、Cell、Science部分新成果

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

中外科學家揭示酵母核糖體組裝前體的高分辨冷凍電鏡結構 [文獻]

近幾周Nature、Cell、Science等頂級期刊上發表了多項冷凍電鏡相關的研究成果。5月25日,清華大學高寧研究組與合作者在Nature雜志在線發表的研究論文報道了位于酵母細胞核內的一系列組成上和結構上不同的核糖體60S亞基前體復合物的冷凍電鏡結構,確定了近20種裝配因子在核糖體上的結合位置及其原子結構。


酵母核糖體大亞基組裝中間體的3.08埃冷凍電鏡結構。(a:3.08 ?冷凍電鏡密度圖,核糖體蛋白顏色為米色,核糖體RNA顏色為灰色;b:19個裝配因子的原子模型。)

該研究純化了酵母細胞內源的核糖體組裝中間體,并運用冷凍電鏡三維重構方法,得到一系列不同狀態的三維結構。其中一種狀態的三維結構分辨率達到3.08 ?,其核心部分的分辨率可達2.8 ?,是核糖體組裝國際領域迄今為止分辨率最高的結構?;謖庖煥潿車緹到峁?,本文作者獲得了19種組裝因子(全長或者片段)的原子模型。更為重要的是,結構信息闡釋了兩個重要的調控GTP酶Nog2和Nog1的生理功能及其可能的分子機制。它們作為中心樞紐蛋白與多種不同的裝配因子以及有功能活性的核糖體RNA片段相互作用,在復合物的結構重塑以及跨核膜輸出過程中發揮重要的作用。

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

我國科學家破解光合作用超分子結構之謎 [文獻]

5月18日,在線發表于Nature上的一項研究中,中國科學院生物物理研究所柳振峰研究組、章新政研究組與常文瑞/李梅研究組通力合作,通過單顆粒冷凍電鏡技術,在3.2?分辨率下解析了高等植物(菠菜)光系統II-捕光復合物II超級膜蛋白復合體(PSII-LHCII supercomplex)的三維結構。


菠菜PSII-LHCII復合物整體結構(頂視圖)

研究人員發現,該復合體包含25個蛋白亞基、105個葉綠素分子、28個類胡蘿卜素分子和眾多的其他輔因子,組成捕光天線系統、反應中心系統以及一個能在常溫常壓下裂解水釋放氧氣的放氧中心等三個部分的結構。在此基礎上,光系統II獲取、傳遞和轉換光能的機制也得以揭示。

在每個菠菜PSII核心復合物的外周,結合了主要捕光復合物LHCII三聚體,以及分子量分別為29 kD和26 kD的次要捕光復合物CP29和CP26。該項工作首次解析了CP29的全長結構和CP26的結構,并發現了這三個不同外周捕光復合物與核心復合物之間相互裝配和識別的機制和位點。在準確指認了外周捕光復合物與核心復合物界面上的三個小亞基的基礎上,合理解釋了它們在介導二者之間裝配以及穩定超級復合物方面的作用。

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

科學家進一步揭示核孔復合體結構 [文獻]

4月15日,發表在Science上的一項研究中,EMBL的科學家們進一步揭示了核孔復合體的結構。核孔復合體含有一千個蛋白亞基,鑲嵌在細胞核的核膜上,控制著細胞核與細胞質之間的物質運輸。許多病毒通過核孔將自己的遺傳物質注入宿主細胞核,而且核孔會在細胞癌變的時候發生變化。此前,科學家們已經對核孔的許多部件有所了解,但還不清楚這些部件是如何組裝在一起的。

核孔復合體由三層環組成:朝向細胞核的核質環、朝向細胞質的胞質環,以及它們之間的內環。領導該研究的Martin Beck團隊此前已經解析了核質環和胞質環,這一研究中他們通過冷凍電鏡技術揭示了內環的結構。令人驚訝的是,內環雖然由不同的元件組成,但它的基本構架跟另外兩個環相同。

特別備注:本文部分內容編譯自NIH,部分內容參照自清華大學生命科學學院、中國科學院微生物研究所、中國科學報、生物通。

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  • Breaking Cryo-EM Resolution Barriers to Facilitate Drug Discovery

    Recent advances in single-particle cryoelecton microscopy (cryo-EM) are enabling generation of numerous near-atomic resolution structures for well-ordered protein complexes with sizes ≥ ~200 kDa. Whether cryo-EM methods are equally useful for high-resolution structural analysis of smaller, dynamic protein complexes such as those involved in cellular metabolism remains an important question. Here, we present 3.8 ? resolution cryo-EM structures of the cancer target isocitrate dehydrogenase (93 kDa) and identify the nature of conformational changes induced by binding of the allosteric small-molecule inhibitor ML309. We also report 2.8-?- and 1.8-?-resolution structures of lactate dehydrogenase (145 kDa) and glutamate dehydrogenase (334 kDa), respectively. With these results, two perceived barriers in single-particle cryo-EM are overcome: (1) crossing 2 ? resolution and (2) obtaining structures of proteins with sizes < 100 kDa, demonstrating that cryo-EM can be used to investigate a broad spectrum of drug-target interactions and dynamic conformational states.

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