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本期為大家?guī)淼氖墙Y(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展，希望讀者朋友們能夠喜歡。
1.Nature & Science：冷凍電鏡技術(shù)揭示Hedgehog信號(hào)復(fù)合體的結(jié)構(gòu)
DOI: 10.1126/science.aas8843
DOI: 10.1038/s41586-018-0308-7
Hedgehog信號(hào)通路對(duì)于胚胎細(xì)胞的發(fā)育具有重要的作用，該信號(hào)的缺失會(huì)導(dǎo)致先天性缺陷的發(fā)生。然而，對(duì)于多數(shù)癌癥。例如基底細(xì)胞癌、腦癌、乳腺癌以及前列腺癌來說，該信號(hào)的強(qiáng)度卻失去了控制。
冷凍電鏡技術(shù)的發(fā)展幫助我們揭示了Hedgehog信號(hào)的分子機(jī)制。通過對(duì)蛋白結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步認(rèn)知，能夠幫助我們開發(fā)靶向該信號(hào)的藥物分子。
在近發(fā)表在《Science》雜志上的一篇研究中，來自西南醫(yī)學(xué)中心以及洛克菲勒大學(xué)的研究者們解析出了原子水平的蛋白結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果顯示，兩個(gè)PTCH-1分子能夠同時(shí)結(jié)合一個(gè)Hedgehog（HH）分子，但結(jié)合位點(diǎn)處于不同的部位。這一結(jié)合方式對(duì)于該信號(hào)的傳遞是十分必要的。
冷凍電鏡的好處在于能夠?qū)悠窚囟冉抵磷銐虻?，從而不?huì)有冰晶的產(chǎn)生。這一技術(shù)對(duì)于觀察分子結(jié)構(gòu)具有很大的幫助。
在上個(gè)月發(fā)表在《Nature》雜志上的文章中，作者等人利用冷凍電鏡技術(shù)解析了PTCH1與HH一對(duì)一的結(jié)合結(jié)構(gòu)。生化檢測(cè)結(jié)果表明這種結(jié)合方式并不能充分地釋放其活性。
“在近的這篇文章中，我們發(fā)現(xiàn)PTCH1與HH二對(duì)一的結(jié)合方式。即一個(gè)HH分子通過其表面兩個(gè)不同的表位分別于兩個(gè)PTCH1進(jìn)行結(jié)合。細(xì)胞生物學(xué)檢測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了這種結(jié)合方式對(duì)于信號(hào)的產(chǎn)生以及傳遞的重要性。與之前的文章結(jié)合，我們希望這些結(jié)構(gòu)有助于研究者們對(duì)該領(lǐng)域的認(rèn)知的進(jìn)一步深入”，作者們說道。
2. Science：重大突破！顏寧課題組從結(jié)構(gòu)上揭示人Ptch1蛋白識(shí)別Shh機(jī)制
doi:10.1126/science.aas8935.
Hedgehog（Hh）通路對(duì)胚胎發(fā)生和組織再生是至關(guān)重要的。Hh信號(hào)是通過分泌的和脂質(zhì)修飾的蛋白Hh結(jié)合到膜受體Patched（Ptch）上而被激活的。在缺乏Hh的情況下，Ptch通過一種未知的間接機(jī)制抑制下游的G蛋白偶聯(lián)受體Smoothened（Smo）。
Hh與Ptch的結(jié)合減輕了對(duì)Smo的抑制并且開啟讓Hh通路遭受轉(zhuǎn)錄激活的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)事件。Hh信號(hào)異常與出生缺陷或腫瘤發(fā)生有關(guān)。盡管進(jìn)行了嚴(yán)密的研究，Hh、Ptch和Smo之間相互作用的分子基礎(chǔ)仍是不清楚的，而且Ptch和Hh之間識(shí)別的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)還有待闡明。
經(jīng)預(yù)測(cè)長(zhǎng)1447個(gè)氨基酸殘基的人Ptch1蛋白含有12個(gè)跨膜區(qū)段（TM），并且與細(xì)菌RND家族轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（resistance-nodulation-division family transporter, RND家族轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白）存在著結(jié)構(gòu)類似性。Ptch1的跨膜區(qū)段2（TM2）至TM6構(gòu)成固醇敏感多肽區(qū)（sterol-sensing domain, SSD）。人們已在幾種參與固醇轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝的蛋白中發(fā)現(xiàn)了SSD。這些含有SSD的蛋白的潛在固醇結(jié)合或轉(zhuǎn)運(yùn)活性的分子機(jī)制仍然是不清楚的。
在一項(xiàng)新的研究中，為了獲得適合于結(jié)構(gòu)研究的樣品，來自中國清華大學(xué)的研究人員基于序列保守性和功能表征獲得幾種人Ptch1的構(gòu)建體。終，在人胚胎腎293F細(xì)胞中瞬時(shí)表達(dá)的含有氨基酸殘基1～1305的人Ptch1截短版本在親和層析純化和尺寸排阻層析純化后表現(xiàn)出足夠的表達(dá)水平和良好的溶液行為。他們還觀察了Ptch1的寡聚體狀態(tài)和單體狀態(tài)。Ptch1的單體形式可適用于單粒子低溫電子顯微鏡分析，這是因?yàn)樗诘蜏貤l件下具有優(yōu)異的性能。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2018年8月10日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“Structural basis for the recognition of Sonic Hedgehog by human Patched1”。論文通信作者為清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授顏寧（Nieng Yan）博士。
在三種哺乳動(dòng)物Hh同源物Sonic（Shh）、Desert（Dhh）和Indian（Ihh）中，Shh一直是功能和機(jī)制研究的原型。在大腸桿菌中表達(dá)和純化的人Shh的N-端結(jié)構(gòu)域（ShhN, 氨基酸殘基24～197）能夠在膽固醇琥珀酸單酯（cholesteryl hemisuccinate, CHS）的存在下與去污劑溶解的Ptch1蛋白形成一種穩(wěn)定的復(fù)合物。
顏寧課題組分別在3.9埃分辨率下和在3.6埃分辨率下解析出人Ptch1單獨(dú)時(shí)以及它與ShhN結(jié)合在一起時(shí)的低溫電鏡結(jié)構(gòu)。他們識(shí)別出兩個(gè)相互作用的胞外結(jié)構(gòu)域ECD1和ECD2，以及12個(gè)跨膜區(qū)段（TM1～12）。一旦ShhN結(jié)合，ECD1和ECD2向彼此移動(dòng)，而且它們一起構(gòu)成ShhN的停靠位點(diǎn)。顏寧課題組對(duì)ShhN與Ptch1之間的詳細(xì)識(shí)別進(jìn)行了分析和生化驗(yàn)證。
在具有或不具有ShhN的Ptch1中觀察到兩個(gè)與CHS相一致的類固醇密度（steroid-shaped density）：一個(gè)在由這兩個(gè)胞外結(jié)構(gòu)域包圍的口袋中，另一個(gè)在SSD的膜面向的腔中。基于結(jié)構(gòu)的生化分析揭示出ShhN和Ptch1之間的類固醇依賴性相互作用。相比于野生型Ptch1，類固醇結(jié)合缺陷型Ptch1突變體的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出顯著的構(gòu)象重排。
總之，人Ptch1單獨(dú)時(shí)及其與ShhN結(jié)合在一起時(shí)的結(jié)構(gòu)揭示出Ptch1和ShhN之間識(shí)別的分子基礎(chǔ)。在Ptch1中鑒定出兩個(gè)類固醇結(jié)合位點(diǎn)為在未來研究Hh信號(hào)建立了重要的框架，并對(duì)含有SSD蛋白的固醇感知提供了關(guān)鍵見解。
3. Cell：重磅！破解人cGAS的三維結(jié)構(gòu)，揭示它為何識(shí)別長(zhǎng)片段DNA同時(shí)忽略短片段DNA
doi:10.1016/j.cell.2018.06.026
人體是為生存而建造的。人體中的每一個(gè)細(xì)胞都受到一組免疫蛋白的嚴(yán)密保護(hù)，而且這些免疫蛋白裝備了幾乎*的雷達(dá)來檢測(cè)外來的或受損的DNA。
人細(xì)胞中的一個(gè)為關(guān)鍵的哨兵是一種被稱作cGAS的“響應(yīng)者”蛋白，它檢測(cè)外來的和發(fā)生癌變的DNA的存在，并啟動(dòng)一種信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)，從而觸發(fā)身體防御。
2012年蛋白cGAS的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了科學(xué)探究的風(fēng)暴，迄今為止，科學(xué)家們已針對(duì)它發(fā)表了500多份研究出版物，但是人cGAS蛋白的結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵特征仍然困擾著科學(xué)家。
如今，在一項(xiàng)新的研究中，來自美國哈佛醫(yī)學(xué)院和達(dá)納-法伯癌癥研究所的研究人員鑒定出人cGAS蛋白與其他哺乳動(dòng)物中的GAS蛋白之間的結(jié)構(gòu)差異和功能差異，并揭示出它在人體中發(fā)揮*功能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。這項(xiàng)研究概述了人cGAS蛋白的結(jié)構(gòu)特征，這些結(jié)構(gòu)特征解釋了人cGAS為何和如何識(shí)別某些類型的DNA同時(shí)忽略其他類型的DNA。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2018年7月12日的Cell期刊上，論文標(biāo)題為“Structure of the Human cGAS–DNA Complex Reveals Enhanced Control of Immune Surveillance”。
論文通信作者、哈佛醫(yī)學(xué)院/達(dá)納-法伯癌癥研究所微生物學(xué)與免疫生物學(xué)助理教授Philip Kranzusch說，“人cGAS的結(jié)構(gòu)和作用機(jī)制一直是免疫學(xué)和癌癥生物學(xué)領(lǐng)域中的一個(gè)關(guān)鍵的缺失部分。我們的研究結(jié)果詳細(xì)闡述了人cGAS的分子組成和功能，從而彌補(bǔ)了我們的知識(shí)中的這個(gè)重要的缺口。”
重要的是，這些研究結(jié)果能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)適合人cGAS蛋白的*結(jié)構(gòu)特征的小分子藥物提供了信息---這一進(jìn)展有望改進(jìn)當(dāng)前作為抗癌療法正在開發(fā)中的cGAS調(diào)節(jié)藥物。
Kranzusch說，“當(dāng)前正在開發(fā)中的幾種有前途的實(shí)驗(yàn)性免疫療法是針對(duì)小鼠cGAS的結(jié)構(gòu)而被開發(fā)出的，它與人cGAS存在著關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)差異。我們的發(fā)現(xiàn)應(yīng)該有助于優(yōu)化這些實(shí)驗(yàn)性療法并促進(jìn)人們?cè)O(shè)計(jì)出新的療法。這將為結(jié)構(gòu)導(dǎo)向地設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)這個(gè)基礎(chǔ)蛋白活性的藥物鋪平道路。”
Kranzusch團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果解釋了人cGAS蛋白的一個(gè)*特征---相比于其他動(dòng)物中的cGAS蛋白，它能夠高度選擇性地檢測(cè)某些類型的DNA而且它更不容易被激活。
具體而言，這項(xiàng)研究表明人cGAS攜帶的突變使得它對(duì)長(zhǎng)片段DNA非常敏感，但是也讓它對(duì)短片段DNA“不敏感”。
論文共同作者、哈佛醫(yī)學(xué)院微生物學(xué)與免疫生物學(xué)系博士后研究員Aaron Whiteley說，“人cGAS是一種高度選擇性的蛋白，它已進(jìn)化出更強(qiáng)的DNA特異性。我們的實(shí)驗(yàn)揭示出這種能力的基礎(chǔ)。”
在所有哺乳動(dòng)物中，cGAS都是通過檢測(cè)處于錯(cuò)誤位置的DNA來發(fā)揮作用的。在正常條件下，DNA被緊密地包裝在細(xì)胞核中并受到保護(hù)。DNA沒有理由會(huì)在細(xì)胞周圍自由移動(dòng)。當(dāng)DNA片段確實(shí)終逃離細(xì)胞核并進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)中時(shí)，這通常表明存在著一些不祥之兆，比如來自細(xì)胞內(nèi)的損傷或來自侵入細(xì)胞內(nèi)的病毒或細(xì)菌的外來DNA。
cGAS蛋白通過識(shí)別這種處于錯(cuò)誤位置的DNA而發(fā)揮作用。在正常情形下，它在細(xì)胞中處于休眠狀態(tài)。但是一旦cGAS檢測(cè)到DNA存在于細(xì)胞核外面，它就突然起作用。它產(chǎn)生另一種化學(xué)物質(zhì)---一種被稱作cGAMP的第二種信使，從而引發(fā)一種分子鏈反應(yīng)，結(jié)果就是提醒細(xì)胞中的DNA異常存在。在這種信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)結(jié)束時(shí)，細(xì)胞要么得到修復(fù)，要么因損壞到無法修復(fù)的地步，它就會(huì)自我破壞。
但是細(xì)胞的健康和完整性取決于cGAS能夠?qū)o害的DNA和外來DNA或在細(xì)胞遭受損傷和應(yīng)激期間釋放出的自身DNA區(qū)分開來。
論文共同作者、哈佛醫(yī)學(xué)院/達(dá)納-法伯癌癥研究所博士后研究員Wen Zhou說，“這是一種很好的平衡行為，可確保免疫系統(tǒng)保持平衡。過度活躍的cGAS能夠引發(fā)自身免疫反應(yīng)或自我攻擊，而未能檢測(cè)到外來DNA的cGAS能夠?qū)е履[瘤生長(zhǎng)和癌癥進(jìn)展。”
這項(xiàng)新的研究揭示出這種蛋白結(jié)構(gòu)的進(jìn)化變化，從而允許人cGAS忽略它遇到的一些DNA，同時(shí)對(duì)它遇到的其他DNA作出反應(yīng)。
就這項(xiàng)新的研究而言，這些研究人員的研究對(duì)象是霍亂弧菌（Vibrio cholerae）。這種細(xì)菌會(huì)導(dǎo)致霍亂，也是人類古老的禍害之一。
利用一種與cGAS具有相似性的霍亂弧菌酶，這些研究人員能夠在這種細(xì)菌中重建人和小鼠cGAS蛋白的功能。
通過與來自哈佛醫(yī)學(xué)院細(xì)菌學(xué)家John Mekalanos實(shí)驗(yàn)室的同事們合作，這些研究人員設(shè)計(jì)出一種嵌合或雜合形式的cGAS，它包括來自人類和小鼠cGAS的遺傳物質(zhì)。隨后，他們將這種雜合cGAS識(shí)別DNA的能力與完整的人cGAS和小鼠cGAS的識(shí)別能力進(jìn)行比較。
在一系列實(shí)驗(yàn)中，這些研究人員觀察了這些不同類型cGAS之間的激活模式，并逐步縮小導(dǎo)致這三者之間存在不同DNA激活模式的關(guān)鍵差異。
這些實(shí)驗(yàn)表明在人類和小鼠cGAS中存在差異的116個(gè)氨基酸中，僅兩個(gè)氨基酸導(dǎo)致人cGAS的功能變化。確實(shí)，人cGAS能夠高精度地識(shí)別長(zhǎng)片段DNA，但它會(huì)忽略了短片段DNA。相反，小鼠cGAS不能區(qū)分長(zhǎng)片段DNA和短片段DNA。
Whiteley說，“這兩個(gè)微小的氨基酸發(fā)揮著如此重大的作用。它們讓人cGAS具有高度選擇性，僅對(duì)長(zhǎng)片段DNA作出反應(yīng)，同時(shí)忽略短片段DNA，這就使得人cGAS更能耐受DNA在細(xì)胞質(zhì)中的存在。”
通過在進(jìn)化時(shí)間尺度上繪制遺傳分歧，這些研究人員確定人類和小鼠cGAS基因在1000萬到1500萬年前的某個(gè)時(shí)間分開。
負(fù)責(zé)檢測(cè)長(zhǎng)片段DNA和耐受短片段DNA的這兩個(gè)氨基酸僅在人類和非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物（比如大猩猩，黑猩猩和倭黑猩猩）中發(fā)現(xiàn)到。
這些研究人員猜測(cè)忽略短片段DNA但識(shí)別長(zhǎng)片段DNA的能力必定會(huì)帶來一些進(jìn)化上的好處。
Kranzusch說，“這可能是一種阻止過度活躍的免疫系統(tǒng)和慢性炎癥的方法?；蛘哌@可能是通過不識(shí)別短片段DNA來降低患上某些人類疾病的風(fēng)險(xiǎn)。”
在后一組實(shí)驗(yàn)中，這些研究人員解析出人cGAS的活性形式與DNA結(jié)合在一起時(shí)的原子結(jié)構(gòu)。
為了做到這一點(diǎn)，他們使用了一種被稱作X射線晶體衍射的可視化技術(shù)。這種技術(shù)能夠基于X射線衍射圖案揭示出蛋白晶體的分子結(jié)構(gòu)。
分析人cGAS“在發(fā)揮作用時(shí)”的結(jié)構(gòu)揭示出讓它能夠選擇性地結(jié)合長(zhǎng)片段DNA同時(shí)忽略短片段DNA的分子變異。
Kranzusch說，“理解是什么讓人cGAS的結(jié)構(gòu)和功能與其他物種cGAS存在的差異正是這個(gè)缺失的部分。如今，我們解析出它的結(jié)構(gòu)，我們真地能夠開始設(shè)計(jì)適用于人體而不適用于小鼠的藥物。”
4.多篇Nature論文解析出結(jié)合到DNA上的起點(diǎn)復(fù)制復(fù)合物的高清晰結(jié)構(gòu)
doi:10.1038/nature14685.
doi:10.1038/nsmb.3374.
doi:10.1038/s41586-018-0293-x.
細(xì)胞通過基因組復(fù)制產(chǎn)生自身的拷貝而進(jìn)行增殖。按理說，DNA復(fù)制是所有生命形式中基本和保守的機(jī)制。破解這一過程是如何地實(shí)現(xiàn)的秘密是理解生命秘密的關(guān)鍵。當(dāng)沃森和克里克在半個(gè)多世紀(jì)前基于DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)提出DNA的復(fù)制方式時(shí)，許多人認(rèn)為將兩條DNA鏈分開進(jìn)行復(fù)制的分子機(jī)器（即DNA復(fù)制機(jī)器，或者說DNA復(fù)制復(fù)合物）的結(jié)構(gòu)即將出現(xiàn)。然而，鑒于這種分子機(jī)器具有比較大的尺寸、三重特性（它由三個(gè)引擎組成）和靈活性，它遠(yuǎn)要比之前想象的復(fù)雜得多。利用常規(guī)方法無法獲得這種DNA復(fù)制機(jī)器在原子分辨率下的結(jié)構(gòu)信息。近年來，隨著高分辨率的低溫電鏡（cryo-EM）技術(shù)的來臨，人們才能獲得它在原子分辨率下的結(jié)構(gòu)信息。
中國北京大學(xué)的高寧（Ning Gao）團(tuán)隊(duì)和中國香港科技大學(xué)的Bik-Kwoon Tye團(tuán)隊(duì)合作發(fā)表的一系列論文為以的分辨率破解DNA復(fù)制機(jī)器的功能打開了大門。篇論文于2015年發(fā)表在Nature期刊上，它解析出這種被稱作微小染色體維持蛋白復(fù)合物（minichromosome maintenance complex, MCM蛋白復(fù)合物）的DNA復(fù)制機(jī)器的核心引擎的結(jié)構(gòu)。第二篇論文報(bào)道了Cdt1-Mcm2-7復(fù)合物（作為MCM雙六聚體復(fù)合物的前體）的開環(huán)結(jié)構(gòu)。如今，第三篇論文發(fā)表在Nature期刊上，它詳細(xì)地說明了起始識(shí)別復(fù)合物（Origin Recognition Complex, ORC）的原子結(jié)構(gòu)，其中ORC復(fù)合物選擇全基因組中的復(fù)制起始位點(diǎn)以便啟動(dòng)DNA復(fù)制。
在單個(gè)細(xì)胞（受精卵）經(jīng)過大約1016次細(xì)胞分裂后，每個(gè)人就產(chǎn)生了。每次細(xì)胞分裂都需要基因組的復(fù)制，這樣每個(gè)子細(xì)胞都以DNA的形式獲得*相同的遺傳信息。
導(dǎo)致細(xì)胞分裂失調(diào)的異常DNA復(fù)制是許多癌癥和發(fā)育障礙的原因?；蚪M復(fù)制在維持活的有機(jī)體方面同樣起著重要的作用，這是因?yàn)樗屑?xì)胞都具有“有效期限”，并且大多數(shù)細(xì)胞都由保留分裂能力的干細(xì)胞進(jìn)行補(bǔ)充。
衰老也是這種復(fù)制機(jī)器發(fā)生故障（無論是發(fā)生在受損DNA的修復(fù)合成中，還是發(fā)生在全基因組復(fù)制的保真度中）的一般現(xiàn)象。在第三篇論文中，中國北京大學(xué)的高寧教授和中國香港科技大學(xué)的Bik-Kwoon Tye教授和Yuanliang Zhai博士利用低溫電鏡技術(shù)在原子分辨率下解析出啟動(dòng)DNA復(fù)制的ORC復(fù)合物的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)解釋了ORC復(fù)合物如何能夠掃描大量的堿基（DNA由A、T、G和C四種堿基組成），從中選擇出正確的位點(diǎn)開始進(jìn)行DNA復(fù)制。據(jù)信，不加區(qū)分地選擇太多的位點(diǎn)可能導(dǎo)致基因組的快速復(fù)制并因此導(dǎo)致快速的細(xì)胞分裂，這是癌細(xì)胞的特征。相比之下，低效地選擇位點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞分裂緩慢，特別是在人類發(fā)育的關(guān)鍵時(shí)刻，這可能導(dǎo)致發(fā)育障礙。
一個(gè)典型的病例是Meier-Gorlin綜合征（MGS），這是一種罕見的遺傳性侏儒癥，其特征是產(chǎn)前發(fā)育遲緩和產(chǎn)后比例矮小的身材。有趣的是，與Meier-Gorlin綜合征相關(guān)的突變位于5個(gè)基因（ORC1、ORC4、ORC6、CDT1和CDC6）中，所有的這些基因都是這種DNA復(fù)制起始機(jī)器（即ORC復(fù)合物）的組分。ORC1和ORC4發(fā)生突變的患者似乎具有嚴(yán)重的身材矮小。在第三篇論文中，高寧教授和Bik-Kwoon Tye教授等證實(shí)在形成這種DNA復(fù)制起始機(jī)器的六個(gè)亞基中，ORC1和ORC4在復(fù)制起始位點(diǎn)的選擇機(jī)制中起著決定性作用。
從根本上說，ORC復(fù)合物的重要功能是招募MCM雙六聚體復(fù)合物到DNA復(fù)制起點(diǎn)上，其中MCM雙六聚體復(fù)合物是將雙鏈DNA分離開的DNA解旋酶的催化核心。在第三篇論文中報(bào)道的ORC復(fù)合物結(jié)合到DNA上時(shí)的原子結(jié)構(gòu)揭示出ORC復(fù)合物導(dǎo)致的DNA彎曲為DNA插入到MCM解旋酶的開環(huán)結(jié)構(gòu)中提供一個(gè)停泊表面。再者，它揭示出DNA復(fù)制起點(diǎn)是基于它的*結(jié)構(gòu)而不是基于它的特定堿基序列而被選擇出來的。這些新發(fā)現(xiàn)有助于解釋ORC復(fù)合物如何在基因組中的*位點(diǎn)上選擇復(fù)制起點(diǎn)，而且這些位點(diǎn)僅由它們的堿基序列是無法預(yù)測(cè)到的。
DNA復(fù)制是所有有機(jī)體的一個(gè)決定性特征，而且執(zhí)行這一功能的DNA復(fù)制機(jī)器從真菌到植物到人類都是保守的。理解這種DNA復(fù)制機(jī)器（或任何生物分子機(jī)器）的原子結(jié)構(gòu)是至關(guān)重要的，這是因?yàn)樗械膽?yīng)用技術(shù)和工程技術(shù)都建立在基礎(chǔ)科學(xué)/知識(shí)的基礎(chǔ)之上。比如， DNA復(fù)制機(jī)器在3埃分辨率下的三維結(jié)構(gòu)圖可能有助我們鑒定出更好的癌癥治療靶標(biāo)，這樣就可定制產(chǎn)生適合這種靶標(biāo)的合成化學(xué)物。更重要的是，這些結(jié)構(gòu)有助于我們充分理解分子機(jī)器的作用機(jī)制，從而有助我們理解因這些分子機(jī)器未發(fā)揮jia功能而導(dǎo)致的疾病的根源。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，中國香港科技大學(xué)將建立先進(jìn)的低溫電子顯微設(shè)備，用于研究生物分子機(jī)器的高分辨率結(jié)構(gòu)。
5. Nature：重大進(jìn)展！解析出人突觸GABAA受體的三維結(jié)構(gòu)，有望開發(fā)出治療癲癇等神經(jīng)疾病的新型藥物
doi:10.1038/s41586-018-0255-3
許多藥物---不論是合法的還是非法的---都作用于大腦中為豐富和為重要的神經(jīng)遞質(zhì)受體之一：A型GABA受體（type A GABA receptor, GABAA受體）。特別的是苯二氮平類藥物（benzodiazepine），它們用于外科手術(shù)期間的麻醉，并用于治療癲癇、焦慮和失眠。解析出這種受體的三維結(jié)構(gòu)有朝一日可能導(dǎo)致人們開發(fā)出更好地治療這些疾病的方法。
GABAA受體與γ-氨基丁酸（GABA）結(jié)合，其中GABA是成年大腦中主要的抑制性或鎮(zhèn)靜性神經(jīng)遞質(zhì)。為了正常地發(fā)揮作用，大腦需要平衡刺激性信號(hào)和鎮(zhèn)靜性信號(hào)。GABAA受體功能障礙在以大腦中過度興奮為特征的疾?。ㄈ绨d癇）中發(fā)現(xiàn)到。除了鎮(zhèn)靜劑苯二氮平類藥物之外，GABAA受體是巴比妥類藥物、麻醉藥和酒精的常見靶標(biāo)。所有的這些藥物都通過增加GABAA受體的活性而作用于大腦，從而進(jìn)一步抑制大腦活動(dòng)。
*，GABAA受體的三維結(jié)構(gòu)很難利用X射線衍射晶體分析法解析出。長(zhǎng)期以來，這種方法被認(rèn)為是結(jié)構(gòu)生物學(xué)的黃金標(biāo)準(zhǔn)。它需要蛋白結(jié)晶，這樣就能夠根據(jù)X射線衍射圖譜來確定蛋白結(jié)構(gòu)。
在一項(xiàng)新的研究中，來自美國德克薩斯大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心的研究人員尋求低溫電鏡技術(shù)（cryo-EM）的幫助。他們利用cryo-EM技術(shù)成功地解析出GABAA受體結(jié)合到GABA和藥物氟馬西尼（flumazenil）上的三維結(jié)構(gòu)。相關(guān)研究結(jié)果于2018年6月27日在線發(fā)表在Nature期刊上，論文標(biāo)題為“Structure of a human synaptic GABAA receptor”。論文通信作者為德克薩斯大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心神經(jīng)科學(xué)與生物物理學(xué)助理教授Ryan Hibbs博士。論文作者為Hibbs實(shí)驗(yàn)室博士后研究員Shaotong Zhu博士。
這些研究人員在燒瓶中利用細(xì)胞表達(dá)人突觸GABAA受體并加以純化，并將電生理學(xué)實(shí)驗(yàn)和利用cryo-EM技術(shù)獲得的結(jié)構(gòu)信息結(jié)合在一起來測(cè)試di西泮（一種苯二氮卓類藥物）和氟馬西尼對(duì)這種GABAA受體的影響，其中氟馬西尼用于逆轉(zhuǎn)麻醉和治療苯二氮平類藥物過量 Hibbs博士說，“我們能夠確定GABA如何選擇性地與這種受體結(jié)合，并解釋諸如苯二氮卓類藥物和氟馬西尼---它競(jìng)爭(zhēng)性地作用于相同的位點(diǎn)上來逆轉(zhuǎn)苯二氮卓類藥物的效果---之類的藥物為何特異性地作用于這種受體上。這對(duì)于理解藥物結(jié)合機(jī)制和設(shè)計(jì)治療多種神經(jīng)疾病的新藥產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。”
6. Nature：重大突破！從結(jié)構(gòu)上揭示間日瘧原蟲入侵人紅細(xì)胞機(jī)制
doi:10.1038/s41586-018-0249-1
瘧原蟲入侵人體的年輕紅細(xì)胞，隨后開始在整個(gè)身體中擴(kuò)散。在一項(xiàng)新的研究中，來自澳大利亞和美國的研究人員利用低溫電鏡技術(shù)（cryo-EM）在原子水平上揭示出間日瘧原蟲（Plasmodium vivax）如何入侵人體紅細(xì)胞的三維藍(lán)圖。他們繪制出這種瘧原蟲與它們?nèi)肭值哪贻p紅細(xì)胞之間的接觸，從而破解了它們用來附著到人紅細(xì)胞上的分子機(jī)器---間日瘧原蟲蛋白PvRBP2b與人轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1（TfR1）和轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合在一起而形成的一種三元入侵復(fù)合物---的三維結(jié)構(gòu)。這為開發(fā)新型瘧疾疫苗邁出了重要的一步。相關(guān)研究結(jié)果于2018年6月27日在線發(fā)表在Nature期刊上，論文標(biāo)題為“Cryo-EM structure of an essential Plasmodium vivax invasion complex”。論文通信作者為美國霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所研究員Zhiheng Yu博士和澳大利亞沃爾特-伊麗莎-霍爾醫(yī)學(xué)研究所的Wai-Hong Tham博士。論文作者為沃爾特-伊麗莎-霍爾醫(yī)學(xué)研究所的Jakub Gruszczyk博士和霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所的Rick Huang博士。
今年初，在一項(xiàng)發(fā)表在Science期刊上的研究中，這些研究人員已發(fā)現(xiàn)間日瘧原蟲通過劫持人轉(zhuǎn)鐵蛋白受體入侵人體紅細(xì)胞（Science, doi:10.1126/science.aan1078，詳情參見生物谷新聞報(bào)道：重磅！開發(fā)瘧疾疫苗有戲！揭示間日瘧原蟲通過劫持人轉(zhuǎn)鐵蛋白受體入侵紅細(xì)胞）。如今，在革命性的cryo-EM技術(shù)的幫助下，他們能夠在原子水平下可視化觀察PvRBP2b與TfR1和轉(zhuǎn)鐵蛋白之間的相互作用。這就為開發(fā)潛在的抗瘧疾藥物和疫苗奠定基礎(chǔ)。
間日瘧原蟲是世界上分布為廣泛的瘧原蟲，也是非洲以外絕大多數(shù)國家中的瘧疾病例的主要原因。鑒于它隱藏在人體肝臟中而不被免疫系統(tǒng)檢測(cè)到，它也是導(dǎo)致復(fù)發(fā)性瘧疾感染的*瘧原蟲。
在這種三維結(jié)構(gòu)的指導(dǎo)下，這些研究人員能夠解析出這種瘧原蟲-宿主相互作用的確切細(xì)節(jié)，并鑒定出它的為脆弱的位點(diǎn)。
Tham說，“這基本上是一項(xiàng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。間日瘧原蟲是非常多樣化的，這對(duì)疫苗開發(fā)具有挑戰(zhàn)性。我們?nèi)缃耔b定出這種分子機(jī)器，它將是開發(fā)出有效地抵抗一系列間日瘧原蟲的抗瘧劑疫苗的hao靶標(biāo)。”
她說，“憑借這種的細(xì)節(jié)，我們?nèi)缃衲軌蜷_始設(shè)計(jì)專門靶向和破壞這種瘧原蟲的三元入侵復(fù)合物的新型療法，以便阻止它們劫持人紅細(xì)胞并通過血液在體內(nèi)擴(kuò)散，從而終阻止它們傳播給其他人。”
7. Science：從結(jié)構(gòu)上揭示tau蛋白與微管之間的相互作用，有助深入認(rèn)識(shí)神經(jīng)疾病
doi:10.1126/science.aat1780
微管在維持細(xì)胞形狀、啟動(dòng)某些形式的運(yùn)動(dòng)、促進(jìn)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)和在有絲分裂期間分離染色體方面發(fā)揮著重要的作用。每個(gè)微管是由十三條平行的微管蛋白原絲組成的空心圓柱體。
tau蛋白有助于讓微管保持穩(wěn)定和成束地組裝它們。突變或翻譯后修飾，比如降低tau蛋白對(duì)微管的親和力的高度磷酸化，被認(rèn)為導(dǎo)致tau蛋白纏結(jié)物形成。
在一項(xiàng)新的研究中，來自美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室和加州大學(xué)伯克利分校的研究人員利用低溫電鏡技術(shù)對(duì)結(jié)合到微管上的天然的全長(zhǎng)的成熟的tau蛋白進(jìn)行成像，成像整體分辨率為4.1埃。他們證實(shí)tau蛋白沿著微管蛋白原絲（tubulin protofilament）縱向結(jié)合著，這一發(fā)現(xiàn)與之前的低分辨率低溫電鏡研究相一致。相關(guān)研究結(jié)果于2018年5月10日在線發(fā)表在Science期刊上，論文標(biāo)題為“Near-atomic model of microtubule-tau interactions”。論文通信作者為勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室分子生物物理學(xué)與綜合生物成像部門資深科學(xué)家Eva Nogales。
tau蛋白是一種內(nèi)在無序的蛋白，包括一個(gè)突出結(jié)構(gòu)（projection domain）域，一個(gè)含有4個(gè)不完整重復(fù)序列的微管結(jié)合區(qū)和一個(gè)羧基端結(jié)構(gòu)域。作為一種二聚體，微管蛋白是由α-微管蛋白和β-微管蛋白緊密連接在一起形成的。微管蛋白二聚體通過首尾相連形成組成微管的微管蛋白原絲。
鑒于大量的文獻(xiàn)都未報(bào)道tau蛋白的結(jié)構(gòu)，人們并不確定它實(shí)際上是否會(huì)與微管蛋白發(fā)生有序的相互作用。
為了測(cè)試關(guān)于tau蛋白的哪些氨基酸殘基參與與微管蛋白結(jié)合的假設(shè)，這些研究人員構(gòu)建出含有由4個(gè)相同的重復(fù)序列組成的微管結(jié)合區(qū)的合成tau構(gòu)建物（synthetic tau construct），并對(duì)這些與微管結(jié)合在一起的tau構(gòu)建物進(jìn)行成像觀察（整體分辨率為3.2～3.9埃）。Nogales實(shí)驗(yàn)室博士后研究員Simon Poepsel之前作為研究生時(shí)就已研究了tau的淀粉樣蛋白形式，并且在純化和制備用于低溫電鏡觀察的樣品中發(fā)揮著重要的作用。
Nogales實(shí)驗(yàn)室博士后研究員Elizabeth Kellogg說，“當(dāng)我們終觀察到tau蛋白中的重復(fù)序列長(zhǎng)度并且發(fā)現(xiàn)它具有確定的結(jié)構(gòu)和結(jié)合位點(diǎn)時(shí)，我們意識(shí)到tau蛋白實(shí)際上與微管蛋白表面形成特定的相互作用。當(dāng)我們能夠讓這一發(fā)現(xiàn)與這種重復(fù)序列的長(zhǎng)度和我們已有的這種序列信息保持一致時(shí)，我們的關(guān)鍵就在于要弄清楚如何充分地對(duì)這種結(jié)構(gòu)重建進(jìn)行改進(jìn)以便實(shí)現(xiàn)原子建模。”
這些研究人員尋求了Rosetta的幫助。Rosetta是一套全面的計(jì)算建模工具，用于根據(jù)氨基酸序列信息（如構(gòu)象和低能量狀態(tài)）預(yù)測(cè)大分子的三維原子結(jié)構(gòu)。
Nogales解釋道，這些高分辨率的低溫電鏡圖片讓他的團(tuán)隊(duì)能夠?qū)@種分子復(fù)合物的整體形狀進(jìn)行限制，從而提高了這種結(jié)構(gòu)模型的保真度。
針對(duì)兩種不同的合成tau構(gòu)建物的Rosetta結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)都指向一個(gè)相同的解決方案：橫跨3個(gè)微管蛋白單體的27個(gè)氨基酸殘基的骨架區(qū)段。Nogales說，“來自兩張獨(dú)立的結(jié)構(gòu)圖的相同序列寄存器和原子細(xì)節(jié)強(qiáng)調(diào)了我們的這個(gè)解決方案的穩(wěn)健性，并為我們的原子模型的準(zhǔn)確性提供了高度的信心。”
Kellogg說，“我們的結(jié)構(gòu)顯示了tau蛋白與微管表面的主要接觸位點(diǎn)是如何處于微管蛋白亞基之間的界面上，起著促進(jìn)微管蛋白亞基之間結(jié)合的‘訂書釘’的作用，并解釋tau蛋白如何促進(jìn)微管穩(wěn)定性。這種該結(jié)構(gòu)還解釋了tau蛋白磷酸化如何導(dǎo)致它從微管上脫離下來。”
人們已觀察到位點(diǎn)262處的絲氨酸磷酸化（在tau蛋白的重復(fù)序列中普遍保守）會(huì)減弱微管結(jié)合并且是阿爾茨海默病的一種標(biāo)志物。這種結(jié)構(gòu)模型表明在這個(gè)關(guān)鍵的錨定點(diǎn)發(fā)生磷酸化會(huì)破壞tau蛋白和微管之間的相互作用，從而導(dǎo)致“這些訂書釘脫落”。這些研究人員還鑒定了在tau蛋白-微管結(jié)合中起著至關(guān)重要作用的其他氨基酸殘基。（生物谷）
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