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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信號復(fù)合體的結(jié)構(gòu)

DOI: 10.1126/science.aas8843

DOI: 10.1038/s41586-018-0308-7

Hedgehog信號通路對于胚胎細(xì)胞的發(fā)育具有重要的作用，該信號的缺失會導(dǎo)致先天性缺陷的發(fā)生。然而，對于多數(shù)癌癥。例如基底細(xì)胞癌、腦癌、乳腺癌以及前列腺癌來說，該信號的強度卻失去了控制。

冷凍電鏡技術(shù)的發(fā)展幫助我們揭示了Hedgehog信號的分子機制。通過對蛋白結(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PTCH-1分子能夠同時結(jié)合一個Hedgehog（HH）分子，但結(jié)合位點處于不同的部位。這一結(jié)合方式對于該信號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?，從而不會有冰晶的產(chǎn)生。這一技術(shù)對于觀察分子結(jié)構(gòu)具有很大的幫助。

在上個月發(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一對一的結(jié)合結(jié)構(gòu)。生化檢測結(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二對一的結(jié)合方式。即一個HH分子通過其表面兩個不同的表位分別于兩個PTCH1進(jìn)行結(jié)合。細(xì)胞生物學(xué)檢測結(jié)果驗證了這種結(jié)合方式對于信號的產(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蛋白識別Shh機制

doi:10.1126/science.aas8935.

Hedgehog（Hh）通路對胚胎發(fā)生和組織再生是至關(guān)重要的。Hh信號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Smo的抑制并且開啟讓Hh通路遭受轉(zhuǎn)錄激活的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)事件。Hh信號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之間識別的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)還有待闡明。

經(jīng)預(yù)測長1447個氨基酸殘基的人Ptch1蛋白含有12個跨膜區(qū)段（TM），并且與細(xì)菌RND家族轉(zhuǎn)運蛋白（resistance-nodulation-division family transporter, RND家族轉(zhuǎn)運蛋白）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)運活性的分子機制仍然是不清楚的。

在一項新的研究中，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，這是因為它在低溫條件下具有優(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。

在三種哺乳動物Hh同源物Sonic（Shh）、Desert（Dhh）和Indian（Ihh）中，Shh一直是功能和機制研究的原型。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單獨時以及它與ShhN結(jié)合在一起時的低溫電鏡結(jié)構(gòu)。他們識別出兩個相互作用的胞外結(jié)構(gòu)域ECD1和ECD2，以及12個跨膜區(qū)段（TM1～12）。一旦ShhN結(jié)合，ECD1和ECD2向彼此移動，而且它們一起構(gòu)成ShhN的?？课稽c。顏寧課題組對ShhN與Ptch1之間的詳細(xì)識別進(jìn)行了分析和生化驗證。

在具有或不具有ShhN的Ptch1中觀察到兩個與CHS相一致的類固醇密度（steroid-shaped density）：一個在由這兩個胞外結(jié)構(gòu)域包圍的口袋中，另一個在SSD的膜面向的腔中?；诮Y(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單獨時及其與ShhN結(jié)合在一起時的結(jié)構(gòu)揭示出Ptch1和ShhN之間識別的分子基礎(chǔ)。在Ptch1中鑒定出兩個類固醇結(jié)合位點為在未來研究Hh信號建立了重要的框架，并對含有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)，揭示它為何識別長片段DNA同時忽略短片段DNA

doi:10.1016/j.cell.2018.06.026

人體是為生存而建造的。人體中的每一個細(xì)胞都受到一組免疫蛋白的嚴(yán)密保護，而且這些免疫蛋白裝備了幾乎*的雷達(dá)來檢測外來的或受損的DNA。

人細(xì)胞中的一個為關(guān)鍵的哨兵是一種被稱作cGAS的“響應(yīng)者”蛋白，它檢測外來的和發(fā)生癌變的DNA的存在，并啟動一種信號級聯(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為何和如何識別某些類型的DNA同時忽略其他類型的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)和作用機制一直是免疫學(xué)和癌癥生物學(xué)領(lǐng)域中的一個關(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，從而彌補了我們的知識中的這個重要的缺口。”

重要的是，這些研究結(jié)果能夠為設(shè)計適合人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驗性免疫療法是針對小鼠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)化這些實驗性療法并促進(jìn)人們設(shè)計出新的療法。這將為結(jié)構(gòu)導(dǎo)向地設(shè)計調(diào)節(jié)這個基礎(chǔ)蛋白活性的藥物鋪平道路。”

Kranzusch團隊的研究結(jié)果解釋了人cGAS蛋白的一個*特征---相比于其他動物中的cGAS蛋白，它能夠高度選擇性地檢測某些類型的DNA而且它更不容易被激活。

具體而言，這項研究表明人cGAS攜帶的突變使得它對長片段DNA非常敏感，但是也讓它對短片段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)化出更強的DNA特異性。我們的實驗揭示出這種能力的基礎(chǔ)。”

在所有哺乳動物中，cGAS都是通過檢測處于錯誤位置的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。DNA沒有理由會在細(xì)胞周圍自由移動。當(dāng)DNA片段確實終逃離細(xì)胞核并進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)中時，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蛋白通過識別這種處于錯誤位置的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。在這種信號級聯(lián)反應(yīng)結(jié)束時，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，而未能檢測到外來DNA的cGAS能夠?qū)е履[瘤生長和癌癥進(jìn)展。” 

這項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，同時對它遇到的其他DNA作出反應(yīng)。

就這項新的研究而言，這些研究人員的研究對象是霍亂弧菌（Vibrio cholerae）。這種細(xì)菌會導(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實驗室的同事們合作，這些研究人員設(shè)計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識別DNA的能力與完整的人cGAS和小鼠cGAS的識別能力進(jìn)行比較。

在一系列實驗中，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。 

這些實驗表明在人類和小鼠cGAS中存在差異的116個氨基酸中，僅兩個氨基酸導(dǎo)致人cGAS的功能變化。確實，人cGAS能夠高精度地識別長片段DNA，但它會忽略了短片段DNA。相反，小鼠cGAS不能區(qū)分長片段DNA和短片段DNA。

Whiteley說，“這兩個微小的氨基酸發(fā)揮著如此重大的作用。它們讓人cGAS具有高度選擇性，僅對長片段DNA作出反應(yīng)，同時忽略短片段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1500萬年前的某個時間分開。

負(fù)責(zé)檢測長片段DNA和耐受短片段DNA的這兩個氨基酸僅在人類和非人靈長類動物（比如大猩猩，黑猩猩和倭黑猩猩）中發(fā)現(xiàn)到。

這些研究人員猜測忽略短片段DNA但識別長片段DNA的能力必定會帶來一些進(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@可能是通過不識別短片段DNA來降低患上某些人類疾病的風(fēng)險。”

在后一組實驗中，這些研究人員解析出人cGAS的活性形式與DNA結(jié)合在一起時的原子結(jié)構(gòu)。

為了做到這一點，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”的結(jié)構(gòu)揭示出讓它能夠選擇性地結(jié)合長片段DNA同時忽略短片段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制。破解這一過程是如何地實現(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，許多人認(rèn)為將兩條DNA鏈分開進(jìn)行復(fù)制的分子機器（即DNA復(fù)制機器，或者說DNA復(fù)制復(fù)合物）的結(jié)構(gòu)即將出現(xiàn)。然而，鑒于這種分子機器具有比較大的尺寸、三重特性（它由三個引擎組成）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）團隊和中國香港科技大學(xué)的Bik-Kwoon Tye團隊合作發(fā)表的一系列論文為以的分辨率破解DNA復(fù)制機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)制機器的核心引擎的結(jié)構(gòu)。第二篇論文報道了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)制起始位點以便啟動DNA復(fù)制。

在單個細(xì)胞（受精卵）經(jīng)過大約1016次細(xì)胞分裂后，每個人就產(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)制在維持活的有機體方面同樣起著重要的作用，這是因為所有細(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)行補充。

衰老也是這種復(fù)制機器發(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，低效地選擇位點會導(dǎo)致細(xì)胞分裂緩慢，特別是在人類發(fā)育的關(guān)鍵時刻，這可能導(dǎo)致發(fā)育障礙。

一個典型的病例是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教授等證實在形成這種DNA復(fù)制起始機器的六個亞基中，ORC1和ORC4在復(fù)制起始位點的選擇機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。在第三篇論文中報道的ORC復(fù)合物結(jié)合到DNA上時的原子結(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)中提供一個停泊表面。再者，它揭示出DNA復(fù)制起點是基于它的*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*位點上選擇復(fù)制起點，而且這些位點僅由它們的堿基序列是無法預(yù)測到的。

DNA復(fù)制是所有有機體的一個決定性特征，而且執(zhí)行這一功能的DNA復(fù)制機器從真菌到植物到人類都是保守的。理解這種DNA復(fù)制機器（或任何生物分子機器）的原子結(jié)構(gòu)是至關(guān)重要的，這是因為所有的應(yīng)用技術(shù)和工程技術(shù)都建立在基礎(chǔ)科學(xué)/知識的基礎(chǔ)之上。比如， DNA復(fù)制機器在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器的作用機制，從而有助我們理解因這些分子機器未發(fā)揮jia功能而導(dǎo)致的疾病的根源。為實現(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和鎮(zhèn)靜性信號。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。

*，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實驗室博士后研究員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)實驗和利用cryo-EM技術(shù)獲得的結(jié)構(gòu)信息結(jié)合在一起來測試di西泮（一種苯二氮卓類藥物）和氟馬西尼對這種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---它競爭性地作用于相同的位點上來逆轉(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。這對于理解藥物結(jié)合機制和設(shè)計治療多種神經(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，隨后開始在整個身體中擴散。在一項新的研究中，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。

Tham說，“這基本上是一項設(shè)計挑戰(zhàn)。間日瘧原蟲是非常多樣化的，這對疫苗開發(fā)具有挑戰(zhàn)性。我們?nèi)缃耔b定出這種分子機器，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)識神經(jīng)疾病

doi:10.1126/science.aat1780

微管在維持細(xì)胞形狀、啟動某些形式的運動、促進(jìn)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運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。

在一項新的研究中，來自美國勞倫斯伯克利國家實驗室和加州大學(xué)伯克利分校的研究人員利用低溫電鏡技術(shù)對結(jié)合到微管上的天然的全長的成熟的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驗室分子生物物理學(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，包括一個突出結(jié)構(gòu)（projection domain）域，一個含有4個不完整重復(fù)序列的微管結(jié)合區(qū)和一個羧基端結(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)都未報道tau蛋白的結(jié)構(gòu)，人們并不確定它實際上是否會與微管蛋白發(fā)生有序的相互作用。

為了測試關(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實驗室博士后研究員Simon Poepsel之前作為研究生時就已研究了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實驗室博士后研究員Elizabeth Kellogg說，“當(dāng)我們終觀察到tau蛋白中的重復(fù)序列長度并且發(fā)現(xiàn)它具有確定的結(jié)構(gòu)和結(jié)合位點時，我們意識到tau蛋白實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)序列的長度和我們已有的這種序列信息保持一致時，我們的關(guān)鍵就在于要弄清楚如何充分地對這種結(jié)構(gòu)重建進(jìn)行改進(jìn)以便實現(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隊能夠?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。

針對兩種不同的合成tau構(gòu)建物的Rosetta結(jié)構(gòu)預(yù)測都指向一個相同的解決方案：橫跨3個微管蛋白單體的27個氨基酸殘基的骨架區(qū)段。Nogales說，“來自兩張獨立的結(jié)構(gòu)圖的相同序列寄存器和原子細(xì)節(jié)強調(diào)了我們的這個解決方案的穩(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)模型表明在這個關(guān)鍵的錨定點發(fā)生磷酸化會破壞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）