2018年結構生物學領域進展匯總

2018年即將過去，針對這一年來結構生物學領域的重大進展，本文進行了簡要盤點，希望讀者朋友能夠喜歡。

1. Nature：科學家成功捕獲惡性瘧原蟲感染紅細胞的關鍵複合體結構 有望開發出新型瘧疾疫苗

DOI: 10.1038/s41586-018-0779-6

近日，一項刊登在國際雜誌Nature上的研究報告中，來自霍華德休斯敦醫學院的科學家們通過研究成功觀察到惡性瘧原蟲進入並感染人類紅細胞所使用的特殊關鍵分子的清晰結構，相關研究結果或能幫助研究人員設計新型疫苗來抵禦流行性瘧原蟲的感染。本文研究具有重大意義，因為瘧原蟲每年在全球會引發50多萬人死亡，而且目前並沒有有效的疫苗來抵禦瘧疾的感染。

感染的關鍵

利用獲得諾貝爾獎的低溫電子顯微鏡技術，科學家們首次獲得了寄生蟲誘發感染的關鍵部位的三維結構，這種關鍵部位是由瘧原蟲三種特殊蛋白質組成的複合體，即Rh5， CyRPA和Ripr三種蛋白，其能互相協作來解開並進入機體的紅細胞。研究者表示，這種複合體對於瘧原蟲進入細胞並誘發感染非常重要，基於獲得的最新研究信息，研究人員或許就能以一種更好的方法來靶向作用瘧原蟲的感染，因為如今他們已經闡明了瘧原蟲感染紅細胞的分子機制。

以較高地清晰度捕獲這種關鍵蛋白複合體的第一張圖像對於瘧疾研究領域或許具有里程碑的意義，瘧原蟲進入紅細胞後就能夠加速生長、複製並且擴散，從而驅動感染者出現多種疾病癥狀，比如發燒、惡寒、乏力、腹瀉和嘔吐反應等，理解瘧原蟲進入紅細胞的分子機制或能幫助研究人員開發新方法來阻斷瘧原蟲感染人類機體以及其引發疾病和傳播的周期。

首次觀察到的結果

這項研究中，研究人員通過對樣本中的瘧原蟲DNA進行遺傳工程化修飾，並提取Rh5和CyRPA兩種蛋白質，同時結合生物技術公司ExpreS2ion所開發的第三種蛋白質Ripr進行聯合研究；研究者Wong說道，利用冷凍電子顯微鏡技術我們就能夠觀察到Rh5/CyRPA/Ripr三種蛋白複合體的3-D圖像信息，同時我們還能從不同的角度來獲得多種複合體成像結構。

在高性能計算技術的幫助下，研究人員還能將上述圖像信息組合起來，首次揭示了一種高解析度的Rh5/CyRPA/Ripr複合體3-D成像信息，相關信息對於瘧原蟲引發感染至關重要。

為開發新型疫苗提供新的思路

研究者Cowman教授說道，這種蛋白複合體的結構或能為研究人員提供關鍵的信息，幫助設計抵禦惡性瘧原蟲感染的新型疫苗；目前我們正在利用相關信息來設計疫苗，從而給予機體免疫系統精準的指令來阻斷瘧原蟲的感染。

如果能夠有效阻斷瘧原蟲中蛋白複合體的產生，惡性瘧原蟲或許就無法有效對機體紅細胞進行感染了。本文研究結果對於後期科學家們設計並開發多種抵禦惡性瘧原蟲感染的新型療法或能提供新的思路和希望。

2. Nature：從結構上揭示細菌Tc毒素注射毒性物質機制

doi:10.1016/j.cell.2018.08.033.

細菌已建立了各種感染有機體的策略並將它們作為營養物的來源。許多細菌利用它們分泌的毒素簡單粗暴地刺穿細胞的外殼來破壞細胞膜。諸如鼠疫桿菌（Yersinia pestis）或來自沙門氏菌的其他細菌之類的人類致病菌產生了一種更為微妙的機制：通過使用一種特殊的毒素複合物來注入它們的毒性物質。

細菌毒素是最有效的天然毒物之一。最強的細菌毒素包括破傷風毒素和肉毒桿菌毒素（botox），當服用千分之一克時仍然是有毒性的。發光桿菌（Photorhabdus luminescens）、鼠疫桿菌以及沙門氏菌使用所謂的Tc毒素。Tc毒素由幾種亞基（TcA、TcB和TcC）組成。在此之前，人們並不清楚這些組分如何一起發揮作用。

在一項新的研究中，來自德國馬克斯-普朗克分子生理學研究所的研究人員利用低溫電鏡技術（cryo-EM）首次在近原子解析度下解析出發光桿菌Tc毒素的三維結構。相關研究結果發表在2018年11月8日的Nature期刊上，論文標題為「Tc toxin activation requires unfolding and refolding of a β-propeller」。

這種結構表明作為這種毒素的最大亞基，TcA是一種鈴狀結構，由一種外殼包圍的通道組成。這種通道類似於帶有六個葉片的螺旋槳。這種鈴狀結構的上端部分結合到由亞基TcB和TcC形成的一種毒素膠囊上。細胞膜表面上的受體識別這種鈴狀結構的下端部分，這樣這種Tc毒素結合到細胞膜上。

一旦周圍介質的pH值發生變化，這種Tc毒素的外殼就會打開，從而暴露出它的通道。受到這種毒素膠囊保護的一種在維持在高壓下的蛋白鏈就會迅速反彈並推動這個通道穿過細胞膜，就像注射器里的針頭注射毒素一樣。這種蛋白鏈是一種酶，能催化細胞骨架凝結，從而導致細胞死亡。

要想充分理解細菌如何注射這種毒素，這些研究人員仍然缺少最後一個細節。他們需要了解這種Fc毒素是如何受到控制的。通過與來自馬克斯-普朗克生物化學研究所的Manajit Hayer-Hartl研究團隊合作，他們解決了這一點。他們著重關注一種也稱為「門衛（gatekeeper）」的小髮夾結構。這控制著毒性物質從TcA亞基的通道中出來。當這種毒素膠囊與TcA的通道結合時，這個邊界區域發生結構重組：這種分子門衛將自己從這個螺旋槳的中心擰下，這就暴露出這個螺旋槳的中心開口，這樣這個中心開口就與TcA亞基的通道準確地連接在一起。他們還能夠證實這種毒性酶在毒素膠囊中的存在是形成這個完整的毒素複合物所必不可少的。這指出了一種可能的控制機制，從而確保TcA亞基結合到滿載著毒性物質的毒素膠囊上。

揭示這種細菌感染機制有助於更好地了解人類致病菌的作用方式。這種新獲得的關於Tc毒素注射的特殊機制的見解可能作為開發創新治療方法的起點。

3. Science：重大突破！我國科學家從結構上揭示酵母核糖核酸酶P加工tRNA前體機制

doi:10.1126/science.aat6678.

doi:10.1126/science.aav4743.

作為一種通用酶，核糖核酸酶P（RNase P）是一種通用核酶，已在生命的三個王國中發現。它加工tRNA前體（pre-tRNA）的5"端。RNase P是一種核糖核蛋白複合物，由單個具有催化能力的RNA組分和可變數量的蛋白組成。與僅含有一種小蛋白輔因子的細菌RNase P不同的是，古細菌RNase P和真核生物細胞核中的RNase P已進化出相當複雜的蛋白亞基：古細菌中有5種蛋白亞基，真核生物中有9～10種。這種tRNA前體加工反應可通過包括四個不同事件的動力學反應機制來加以描述：（1）RNase P (E)快速地和可逆地結合到pre-tRNA (S)上，從而形成一種初始的RNase P-pre-tRNA複合物（ES）；（2）一種構象變化讓這種ES複合物以一種鎂離子依賴性的方式發生異構化而產生一種具有催化能力的構象異構體（ES*）；（3）切割磷酸二酯鍵；（4）pre-tRNA的5"端前導序列快速解離下來，讓成熟tRNA限速釋放。

然而，儘管進行了廣泛的生物化學和遺傳學研究，但是對真核生物細胞核中的RNase P而言，它的蛋白組分的作用以及這些蛋白組分複雜性增加的原因仍然是未知的。仍然未知的是，作為底物的 tRNA前體，尤其是它的5"端前導序列，如何被真核生物RNase P識別；在催化上起著重要作用的鎂離子在活性位點中是如何配位的；什麼化學機制是切割pre-tRNA 5"端的化學機制是什麼。高解析度的真核RNase P結構是解答這些關鍵問題所必需的。

在一項新的研究中，來自中國上海交通大學醫學院、中國科學院生物化學與細胞生物學研究所、中國科學院大學、中國科學院大連化學物理研究所、上海科技大學和中國科學技術大學等研究機構的研究人員報道了釀酒酵母RNase P全酶獨自時以及與pre-tRNAPhe結合在一起時的解析度為3.5 ?的低溫電鏡結構。相關研究結果發表在2018年11月9日的Science期刊上，論文標題為「Structural insight into precursor tRNA processing by yeast ribonuclease P」。

這種酵母RNase P全酶由一個具有催化能力的RNA （即Rpr1）和9個蛋白組分組成。Rpr1 RNA採取一種延伸的單層構象。這種單層構象維持一種中央螺旋核心，但缺乏大多數讓細菌RNase P保持結構穩定性所必不可少的長程RNA-RNA相互作用。這些蛋白組分形成相互連接的鉤形結構，這種鉤形結構緊緊地纏繞在Rpr1 RNA的周圍，從而將酵母RNase P穩定為一種「測量設備（measuring device）」。這種「測量設備」具有兩個固定錨用於識別底物pre-tRNA的L形結構而不是特定序列。

這種「測量裝置」介導與pre-tRNA的初始結合以形成低親和力的ES複合物。對tRNA前體的5"端前導序列的識別涉及Rpr1 RNA和蛋白亞基Pop5。兩個在催化上起著重要作用的鎂離子在由Rpr1的高度保守性尿苷U93和磷酸骨架組成的催化中心中與pre-tRNA的易切割的磷酸根離子和O3"離去基團配位在一起。這種基於RNA的催化中心的構型在從細菌到真核生物的所有RNase P中都是普遍保守的。pre-tRNA結合誘導這種催化中心發生顯著的構象變化，這對應於產生ES *狀態的異構化步驟。此外，這些研究人員通過模擬分析可視化觀察到pre-tRNA的磷酸二酯鍵水解在機制上的細節，其中這種磷酸二酯鍵水解是一種由兩個鎂離子介導的雙分子親核取代反應（SN2 reaction）。

綜上所述，這項研究中解析出的酵母RNase P結構代表著在機制上理解真核生物RNase P的功能方面邁出的重要一步。這些數據支持所有的RNase P都具有一種基於RNA的底物誘導的pre-RNA加工機制。儘管細菌RNase P RNA本身具有催化活性，但是真核生物RNase P是一種受到蛋白控制的核酶，它的蛋白組分不僅直接參与底物識別，而且還讓具有催化作用的RNA穩定在一種最適合於pre-tRNA結合和裂解反應的構象中。

4. Cell & Nat Genet：首次闡明癌症相關蛋白複合體的結構 有望開發治療多種人類疾病的新療法

DOI: 10.1016/j.cell.2018.09.032

doi:10.1038/ng.2628

2013年刊登在Nature Genetics雜誌上的一篇研究報告中，來自博德研究所的科學家們通過研究發現，大約20%的人類癌症都與一類名為BAF的蛋白髮生突變有關，BAF是一種特殊的蛋白複合體，其與機體智力障礙和自閉症譜系障礙發生直接相關，然而目前研究人員並不清楚這種蛋白複合體的精細結構以及其如何誘發人類疾病的。

近日，一項刊登在國際著名雜誌Cell上的一篇研究報告中，來自哈佛大學醫學院等機構的科學家們通過研究闡明了BAF蛋白複合體各個部分是如何結合在一起的，相關研究或為後期科學家們開發治療疾病的新型藥物提供思路和希望。

研究者Kadoch說道，這項研究中我們克服了科學家們在人類疾病突變以及藥物發現上所面臨的主要障礙，文章中我們解析了BAF複合體的結構特性和組裝機制，而了解該蛋白複合體的結構對於理解其功能至關重要。BAF複合體能控制染色質的結構並且調節基因的活性，研究人員首次在酵母中發現BAF複合體，隨後在果蠅和哺乳動物機體中相繼發現該複合體。

這項研究中，研究人員闡明了多個BAF複合體蛋白組分的結合模式，以及其如何在細胞中組成三種不同的複合體，研究者Kadoch說道，如果你不得不組裝一套宜家夾具的話，你或許需要將各個零配件按照一定的裝配順序進行組合，這項研究中我們首次提供了BAF複合體的組裝路線圖，並且列出了單獨的元件，也就是說，按照既定的路線圖對單獨的元件進行組裝就能構建出BAF複合體。

除了闡明BAF的具體結構外，研究人員還闡明了與該複合體相關的一系列致病突變給人類機體帶來的生化效應；研究者Nazar Mashtalir表示，組成BAF複合體的單一蛋白的結構錯誤會干擾複合體的組裝，從而影響基因表達導致疾病發生；我們希望後期能夠基於本文研究結果進行更為深入的研究，來闡明一系列與疾病相關的突變，並且為開發新型療法提供新的思路和線索。

5. Science子刊：改寫教科書！重新確定抗體IgM的結構

doi:10.1126/sciadv.aau1199.

在一項新的研究中，來自日本東京大學的研究人員通過利用計算機圖像分析和現代的電子顯微鏡成像揭示了一種至關重要的稱為免疫球蛋白M（IgM）的免疫蛋白的結構，從而為未來開發出針對從癌症到神經系統疾病的一系列疾病的更加有效的藥物提供了可能性。相關研究結果發表在2018年10月10日的Science Advances期刊上，論文標題為「The IgM pentamer is an asymmetric pentagon with an open groove that binds the AIM protein」。論文通信作者為東京大學的Toru Miyazaki和Satoko Arai。

IgM是免疫系統的一個重要的組成部分。這些研究人員利用IgM的人類版本和小鼠版本對天然的IgM的結構進行了驗證。他們認為IgM如今應當被理解為形狀像不完整的六邊形，或者像是有楔形缺口的五邊形。Miyazaki說，「我們將不得不改寫教科書。」

IgM是首個在人類胎兒中產生的免疫系統蛋白，並且在一生當中始終首先對病原體入侵作出反應的蛋白分子。 IgM的結構於1969年首次被確定為「五角星形狀的桌子（five-pointed, star-shaped table）」，並於2009年更新為五面圓頂（five-sided dome）或「蘑菇形帽（mushroom cap）」。

Miyazaki說，「最初的IgM結構模型是通過低解析度的顯微鏡觀察幾個IgM分子構建出來的。如今，我們有了更清晰的圖片，而且計算機能夠研究成千上萬個IgM分子。」當Miyazaki當初還是一名醫學博士時，他的研究生涯就研究了一種不同的稱為巨噬細胞凋亡抑制因子（apoptosis inhibitor of macrophage, AIM）的蛋白。

由於確定了IgM的正確形狀，這些研究人員如今了解到沒有活性的AIM位於IgM的不完整六邊形的空隙內。IgM和AIM之間的結構關聯性意味著具有調節AIM釋放能力的藥物可能被用來開發基於AIM的疾病治療方法。當其他的分子激活免疫系統時，IgM會釋放AIM。尺寸較小的AIM蛋白在體內循環，以便清除受損的細胞和阻止疾病產生。

1999年，Miyazaki在瑞士巴塞爾免疫學研究所工作時就已鑒定出AIM。它的小尺寸意味著AIM很容易通過腎臟從體內排出並進入尿液中，因此與較大的IgM結合在一起可保護AIM在需要之前不被清除。

AIM是血液中的一種常見的分子，但是它僅在身體發病時才是有活性的。已知AIM在預防肥胖、脂肪肝疾病、肝細胞癌、多發性硬化症、真菌誘導性腹膜炎和急性腎損傷中起著重要的作用。

這種不完整的六邊形結構仍然只是對IgM結構的二維理解。Miyazaki和他的團隊繼續開展進一步的分析，並希望儘快地報道IgM的三維結構。

6. Nature：解析出與皮克病相關的tau蛋白細絲的結構

doi:10.1038/s41586-018-0454-y.

在一項新的研究中，來自英國醫學研究理事會分子生物學實驗室和美國印第安納大學醫學院的研究人員解析出皮克病（Pick"s disease）患者中的tau蛋白細絲（tau filament）的結構。相關研究結果近期發表在Nature期刊上，論文標題為「Structures of filaments from Pick』s disease reveal a novel tau protein fold」。

神經疾病通常以大腦中的tau蛋白錯誤摺疊為特徵，這種錯誤摺疊會導致神經元破壞。之前的研究已發現人腦中有六種tau蛋白異構型，並且這些tau蛋白異構型都是正常的神經元活動所必需的。由於未知原因，這種蛋白有時會不正確地摺疊，這導致更多的錯誤摺疊的級聯效應，從而導致tau蛋白細絲產生，而且這種級聯效應是導致神經元變性的原因，與此同時它也導致大多數患者死於神經系統疾病。在這項新的研究中，這些研究人員一直在努力確定這些參與這類疾病產生的發生錯誤摺疊的tau蛋白的結構，並且希望能夠理解為何tau蛋白會發生錯誤摺疊，並且可能找到一種阻止它發生的方法。最近，他們宣布他們已解析出與阿爾茨海默病相關的tau蛋白細絲的結構。在這項新的研究中，他們如今解析出與皮克病相關的tau蛋白細絲的結構。皮克病是一種退行性神經系統疾病，會導致額葉中的神經元破壞。

在六種tau蛋白異構型中，三種異構型具有一種由四個微管結合重複序列（microtubule-binding repeat）的結構（4R tau），另外三種異構型具有一種由三個微管結合重複序列（microtubule-binding repeat）的結構（3R tau）。tau蛋白細絲能夠具有這兩種結構（4R tau和3R tau）或者這兩種結構中的任一種。這些研究人員發現，與皮克病相關的tau蛋白細絲僅含有3R tau，而且它們在形狀上是新的，與在阿爾茨海默病患者中發現的那些tau蛋白細絲細胞存在著不同。在這項新的研究中，這些研究人員使用了低溫電鏡技術，在這種技術中，先將樣品在低溫下凍存，然後用電子顯微鏡進行檢查。這一發現提供了證據支持一種觀點，即神經系統疾病的差異可能是由於tau蛋白細絲結構的差異。

7. Cell：首次解析出CRISPR-Cas13d的三維結構，有助揭示它的RNA靶向機制

doi:10.1016/j.cell.2018.09.001.

源自最初在細菌中發現的基因，CRISPR被描述為「分子剪刀」。它將一段遺傳密碼換成另一段遺傳密碼。在CRISPR-Cas9系統中，Cas9是切割DNA的酶。

在過去幾年中，CRISPR-Cas9已走出了實驗室工作台，進入了公共的時代思潮。這種基因編輯工具CRISPR-Cas9有望校正個體細胞內的缺陷，並有可能治癒或阻止許多人類疾病。但是CRISPR-Cas9系統讓DNA而不是RNA發生變化，而且一些專家認為能夠對RNA進行修飾可能同樣是有用的。擁有針對RNA的編輯工具將允許科學家們修改基因的活性，但不會對基因本身造成永久性的和潛在危險的變化。

再者，DNA是不變的，但是由DNA轉錄產生的RNA信息總是在發生不斷變化。能夠通過直接控制RNA來調節這些信息對細胞命運的影響具有重要的意義。

如今，在一項新的研究中，來自美國沙克生物研究所的研究人員首次解析出CRISPR-Cas13d的詳細分子結構。CRISPR-Cas13d是新興的RNA編輯技術中的一種有希望的酶。他們能夠利用低溫電鏡技術（cryo-EM）可視化觀察這種酶，其中cryo-EM是一種前沿的技術，讓人們能夠以前所未有的細節捕捉複雜分子的結構。相關研究結果發表在2018年9月20日的Cell期刊上，論文標題為「Structural Basis for the RNA-Guided Ribonuclease Activity of CRISPR-Cas13d」。論文通信作者為沙克生物研究所的Patrick D. Hsu和Dmitry Lyumkis。論文第一作者為沙克生物研究所的Cheng Zhang和Silvana Konermann。

Lyumkis說，「這篇論文提供了RNA靶向基因工程的一種分子藍圖。它增加了開展這種類型的重要的生物醫學研究所需的工具的廣度。」

今年早些時候，Konermann和Hsu在一篇發表在Cell期刊上的論文（Cell, doi:10.1016/j.cell.2018.02.033）中發現了CRISPR-Cas13d，並且報道這種新型CRISPR系統有效地識別和切割RNA。他們還證實在來自一名痴呆症患者的細胞中，這種工具能夠被用來校正致病性的蛋白不平衡（相關生物谷新聞報道參見：Cell：重磅！發現靶向RNA的CRISPR/CasRx）。

在這項新的研究中，這些研究人員通過讓CRISPR-Cas13d在不同的動態狀態下凍存，並利用cryo-EM解析出這種酶的新的結構細節，從而能夠破解它的一系列活性，而不是僅在一個時間點觀察到一種活性。

Zhang說，「這能夠讓我們觀察到Cas13d是如靶向和結合RNA的。我們希望這些新知識能夠幫助擴展基因編輯工具的功能。」

8. Nature & Science：冷凍電鏡技術揭示Hedgehog信號複合體的結構

DOI: 10.1126/science.aas8843

DOI: 10.1038/s41586-018-0308-7

Hedgehog信號通路對於胚胎細胞的發育具有重要的作用，該信號的缺失會導致先天性缺陷的發生。然而，對於多數癌症。例如基底細胞癌、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。

冷凍電鏡技術的發展幫助我們揭示了Hedgehog信號的分子機制。通過對蛋白結構的進一步認知，能夠幫助我們開發靶向該信號的藥物分子。

在最近發表在《Science》雜誌上的一篇研究中，來自西南醫學中心以及洛克菲勒大學的研究者們解析出了原子水平的蛋白結構。研究結果顯示，兩個PTCH-1分子能夠同時結合一個Hedgehog（HH）分子，但結合位點處於不同的部位。這一結合方式對於該信號的傳遞是十分必要的。

冷凍電鏡的好處在於能夠將樣品溫度降至足夠低，從而不會有冰晶的產生。這一技術對於觀察分子結構具有很大的幫助。

在上個月發表在《Nature》雜誌上的文章中，作者等人利用冷凍電鏡技術解析了PTCH1與HH一對一的結合結構。生化檢測結果表明這種結合方式並不能充分地釋放其活性。

「在最近的這篇文章中，我們發現PTCH1與HH二對一的結合方式。即一個HH分子通過其表面兩個不同的表位分別於兩個PTCH1進行結合。細胞生物學檢測結果驗證了這種結合方式對於信號的產生以及傳遞的重要性。與之前的文章結合，我們希望這些結構有助於研究者們對該領域的認知的進一步深入」，作者們說道。

9. Science：重大突破！我國顏寧課題組從結構上揭示人Ptch1蛋白識別Shh機制

doi:10.1126/science.aas8935.

Hedgehog（Hh）通路對胚胎髮生和組織再生是至關重要的。Hh信號是通過分泌的和脂質修飾的蛋白Hh結合到膜受體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蛋白偶聯受體Smoothened（Smo）。

Hh與Ptch的結合減輕了對Smo的抑制並且開啟讓Hh通路遭受轉錄激活的信號轉導事件。Hh信號異常與出生缺陷或腫瘤發生有關。儘管進行了嚴密的研究，Hh、Ptch和Smo之間相互作用的分子基礎仍是不清楚的，而且Ptch和Hh之間識別的結構基礎還有待闡明。

經預測長1447個氨基酸殘基的人Ptch1蛋白含有12個跨膜區段（TM），並且與細菌RND家族轉運蛋白（resistance-nodulation-division family transporter, RND家族轉運蛋白）存在著結構類似性。Ptch1的跨膜區段2（TM2）至TM6構成固醇敏感多肽區（sterol-sensing domain, SSD）。人們已在幾種參與固醇轉運和代謝的蛋白中發現了SSD。這些含有SSD的蛋白的潛在固醇結合或轉運活性的分子機制仍然是不清楚的。

在一項新的研究中，為了獲得適合於結構研究的樣品，來自中國清華大學的研究人員基於序列保守性和功能表徵獲得幾種人Ptch1的構建體。最終，在人胚胎腎293F細胞中瞬時表達的含有氨基酸殘基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後表現出足夠的表達水平和良好的溶液行為。他們還觀察了Ptch1的寡聚體狀態和單體狀態。Ptch1的單體形式可適用於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異的性能。相關研究結果發表在2018年8月10日的Science期刊上，論文標題為「Structural basis for the recognition of Sonic Hedgehog by human Patched1」。論文通信作者為清華大學醫學院教授顏寧（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。在大腸桿菌中表達和純化的人Shh的N-端結構域（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蛋白形成一種穩定的複合物。

顏寧課題組分別在3.9埃解析度下和在3.6埃解析度下解析出人Ptch1單獨時以及它與ShhN結合在一起時的低溫電鏡結構。他們識別出兩個相互作用的胞外結構域ECD1和ECD2，以及12個跨膜區段（TM1～12）。一旦ShhN結合，ECD1和ECD2向彼此移動，而且它們一起構成ShhN的停靠位點。顏寧課題組對ShhN與Ptch1之間的詳細識別進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構域包圍的口袋中，另一個在SSD的膜面向的腔中。基於結構的生化分析揭示出ShhN和Ptch1之間的類固醇依賴性相互作用。相比於野生型Ptch1，類固醇結合缺陷型Ptch1突變體的結構表現出顯著的構象重排。

總之，人Ptch1單獨時及其與ShhN結合在一起時的結構揭示出Ptch1和ShhN之間識別的分子基礎。在Ptch1中鑒定出兩個類固醇結合位點為在未來研究Hh信號建立了重要的框架，並對含有SSD蛋白的固醇感知提供了關鍵見解。

10. Cell：重磅！首次破解人cGAS的三維結構，揭示它為何識別長片段DNA同時忽略短片段DNA

人體是為生存而建造的。人體中的每一個細胞都受到一組免疫蛋白的嚴密保護，而且這些免疫蛋白裝備了幾乎萬無一失的雷達來檢測外來的或受損的DNA。

人細胞中的一個最為關鍵的哨兵是一種被稱作cGAS的「第一響應者」蛋白，它檢測外來的和發生癌變的DNA的存在，並啟動一種信號級聯反應，從而觸發身體防禦。

2012年蛋白cGAS的發現引發了科學探究的風暴，迄今為止，科學家們已針對它發表了500多份研究出版物，但是人cGAS蛋白的結構和關鍵特徵仍然困擾著科學家。

如今，在一項新的研究中，來自美國哈佛醫學院和達納-法伯癌症研究所的研究人員首次鑒定出人cGAS蛋白與其他哺乳動物中的GAS蛋白之間的結構差異和功能差異，並揭示出它在人體中發揮獨特功能的結構基礎。這項研究概述了人cGAS蛋白的結構特徵，這些結構特徵解釋了人cGAS為何和如何識別某些類型的DNA同時忽略其他類型的DNA。相關研究結果發表在2018年7月12日的Cell期刊上，論文標題為「Structure of the Human cGAS–DNA Complex Reveals Enhanced Control of Immune Surveillance」。

論文通信作者、哈佛醫學院/達納-法伯癌症研究所微生物學與免疫生物學助理教授Philip Kranzusch說，「人cGAS的結構和作用機制一直是免疫學和癌症生物學領域中的一個關鍵的缺失部分。我們的研究結果詳細闡述了人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，這些研究結果能夠為設計適合人cGAS蛋白的獨特結構特徵的小分子藥物提供了信息---這一進展有望改進當前作為抗癌療法正在開發中的精準cGAS調節藥物。

Kranzusch說，「當前正在開發中的幾種有前途的實驗性免疫療法是針對小鼠cGAS的結構而被開發出的，它與人cGAS存在著關鍵的結構差異。我們的發現應該有助於優化這些實驗性療法並促進人們設計出新的療法。這將為結構導向地設計調節這個基礎蛋白活性的藥物鋪平道路。」

Kranzusch團隊的研究結果解釋了人cGAS蛋白的一個獨特特徵---相比於其他動物中的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」。

論文共同第一作者、哈佛醫學院微生物學與免疫生物學系博士後研究員Aaron Whiteley說，「人cGAS是一種高度選擇性的蛋白，它已進化出更強的DNA特異性。我們的實驗揭示出這種能力的基礎。」

在所有哺乳動物中，cGAS都是通過檢測處於錯誤位置的DNA來發揮作用的。在正常條件下，DNA被緊密地包裝在細胞核中並受到保護。DNA沒有理由會在細胞周圍自由移動。當DNA片段確實最終逃離細胞核並進入細胞質中時，這通常表明存在著一些不祥之兆，比如來自細胞內的損傷或來自侵入細胞內的病毒或細菌的外來DNA。

cGAS蛋白通過識別這種處於錯誤位置的DNA而發揮作用。在正常情形下，它在細胞中處於休眠狀態。但是一旦cGAS檢測到DNA存在於細胞核外面，它就突然起作用。它產生另一種化學物質---一種被稱作cGAMP的第二種信使，從而引發一種分子鏈反應，結果就是提醒細胞中的DNA異常存在。在這種信號級聯反應結束時，細胞要麼得到修復，要麼因損壞到無法修復的地步，它就會自我破壞。

但是細胞的健康和完整性取決於cGAS能夠將無害的DNA和外來DNA或在細胞遭受損傷和應激期間釋放出的自身DNA區分開來。

論文共同第一作者、哈佛醫學院/達納-法伯癌症研究所博士後研究員Wen Zhou說，「這是一種很好的平衡行為，可確保免疫系統保持平衡。過度活躍的cGAS能夠引發自身免疫反應或自我攻擊，而未能檢測到外來DNA的cGAS能夠導致腫瘤生長和癌症進展。」

這項新的研究揭示出這種蛋白結構的進化變化，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。

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）。這種細菌會導致霍亂，也是人類最古老的禍害之一。

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菌中重建人和小鼠cGAS蛋白的功能。

通過與來自哈佛醫學院細菌學家John Mekalanos實驗室的同事們合作，這些研究人員設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。隨後，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，並逐步縮小導致這三者之間存在不同DNA激活模式的關鍵差異。

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不能區分長片段DNA和短片段DNA。

Whiteley說，「這兩個微小的氨基酸發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，同時忽略短片段DNA，這就使得人cGAS更能耐受DNA在細胞質中的存在。」

通過在進化時間尺度上繪製遺傳分歧，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。

負責檢測長片段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）中發現到。

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化上的好處。

Kranzusch說，「這可能是一種阻止過度活躍的免疫系統和慢性炎症的方法。或者這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險。」

在最後一組實驗中，這些研究人員解析出人cGAS的活性形式與DNA結合在一起時的原子結構。

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。這種技術能夠基於X射線衍射圖案揭示出蛋白晶體的分子結構。

分析人cGAS「在發揮作用時」的結構揭示出讓它能夠選擇性地結合長片段DNA同時忽略短片段DNA的精確分子變異。

Kranzusch說，「理解是什麼讓人cGAS的結構和功能與其他物種cGAS存在的差異正是這個缺失的部分。如今，我們解析出它的結構，我們真地能夠開始設計適用於人體而不適用於小鼠的藥物。」

11. Science：從結構上揭示I型CRISPR-Cas系統降解靶DNA機制

doi:10.1126/science.aat0839

作為最流行的CRISPR 系統，I型CRISPR-Cas的特徵是有序的靶標搜索和降解。首先，多亞基監測複合物Cascade（用於抗病毒防禦的CRISPR相關複合物）識別相匹配的兩側具有最佳的前間區序列鄰近基序（protospacer-adjacent motif, PAM）的雙鏈DNA靶標，促進CRISPR RNA（crRNA）和靶DNA鏈之間形成異源雙鏈體，並將非靶DNA鏈置換掉，從而導致在靶位點上形成R-環（R-loop）。隨後，將具有解螺旋酶活性和核酸酶活性的酶Cas3特異性地招募到Cascade/R-loop上並切割和漸進性地降解靶DNA鏈。來自褐色嗜熱裂孢菌（Thermobifida fusca, Tfu）的I-E型Cascade/R-loop和Cas3/單鏈DNA（ssDNA）複合物的高解析度結構闡明了PAM識別和R-環形成機制。然而，Cas3招募、DNA切割和降解機制仍然是難以捉摸的。

在一項新的研究中，來自美國康奈爾大學和哈佛醫學院的研究人員重建出TfuCascade/R-loop/Cas3（即來自褐色嗜熱裂孢菌的Cascade/R-loop/Cas3）三元複合物，並利用單顆粒低溫電鏡技術（cryo-EM）解析出它在R-環切割前狀態和R-環切割後狀態下的結構。這些結果為理解I型CRISPR-Cas系統中crRNA指導的DNA降解提供了結構基礎。相關研究結果發表在2018年7月6日的Science期刊上，論文標題為「Structure basis for RNA-guided DNA degradation by Cascade and Cas3」。

這些研究人員解析出TfuCascade/R-loop/Cas3在非靶DNA鏈切割前狀態下的解析度為3.7埃的低溫電鏡圖。Cas3的結合不會引起形成R-環的Cascade複合物發生進一步構象變化，這提示著Cascade-Cas3相互作用在很大程度上是一種構象捕獲機制而不是一種誘導契合機制。Cas3-Cascade相互作用完全是由Cascade中的Cse1亞基介導的。Cas3對Cascade的識別是由於與Cascade/R-loop在電荷和表面輪廓上是互補的，但與Cascade的種泡狀態（seed-bubble state）並不是互補的。這是因為在R-環充分形成之前，Cse1的C-末端結構域處於一種替代性方向。通過與Cse1的兩個結構域進行廣泛接觸，Cas3能夠檢測Cse1的表面輪廓發生變化，從而排斥處於這樣的功能狀態下的Cascade。有條件地將Cas3招募到Cascade上就能夠避免錯誤靶向僅具有部分互補性的DNA。

再者，這些研究人員提供了直接的證據表明一種底物移交機制對I-E型CRISPR干擾是至關重要的。Cas3的HD核酸酶結構域直接捕獲非靶DNA鏈用於鏈切割，而且這種作用完全繞過了它的解旋酶結構域。這種底物捕獲依賴於非靶DNA鏈中存在的柔性凸起，而且這種切割位點偏好性是由這種招募通路預先確定的。

這些研究人員進一步解析出TfuCascade/R-loop/Cas3在非靶DNA鏈切割後狀態下的解析度為4.7埃的結構，這就允許他們鑒定出與這種鏈切割反應相伴隨的結構變化。這種結構揭示出由於增加的柔性，R環區域中的完整非靶DNA鏈消失了。一旦腺苷5"-三磷酸（ATP）水解，與PAM相鄰的一半非靶DNA鏈自發地重新定位到Cas3中的解旋酶結構域的開口處。因此，在ATP水解時，Cas3的解旋酶結構域讓非靶DNA鏈通過它自身並進一步進入Cas3的HD核酸酶結構域，從而進入一種漸進性DNA降解模式。

總之，這些研究人員描述了導致I-E型CRISPR干擾的分子事件的結構-功能特徵。CRISPR干擾的出現在Cas3招募步驟中受到嚴格控制，從而降低脫靶效應。然而，當切割非靶DNA鏈時，I型CRISPR-Cas系統在靶標破壞方面表現優異，這是因為Cas3漸進性地降解DNA而不是停下來產生雙鏈DNA斷裂。這些特徵可能解釋著為什麼I型CRISPR-Cas系統進化成為自然界中最常見的CRISPR-Cas系統。觀察I型CRISPR-Cas系統是否可能轉化為一種具有與Cas9不同的實用性的基因組編輯工具將是令人關注的。

12. Nature：重大進展！首次解析出人突觸GABAA受體的三維結構，有望開發出治療癲癇等神經疾病的新型藥物

doi:10.1038/s41586-018-0255-3

許多藥物---不論是合法的還是非法的---都作用於大腦中最為豐富和最為重要的神經遞質受體之一：A型GABA受體（type A GABA receptor, GABAA受體）。特別著名的是苯二氮平類藥物（benzodiazepine），它們用於外科手術期間的麻醉，並用於治療癲癇、焦慮和失眠。解析出這種受體的三維結構有朝一日可能導致人們開發出更好地治療這些疾病的方法。

GABAA受體與γ-氨基丁酸（GABA）結合，其中GABA是成年大腦中主要的抑制性或鎮靜性神經遞質。為了正常地發揮作用，大腦需要平衡刺激性信號和鎮靜性信號。GABAA受體功能障礙在以大腦中過度興奮為特徵的疾病（如癲癇）中發現到。除了鎮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。所有的這些藥物都通過增加GABAA受體的活性而作用於大腦，從而進一步抑制大腦活動。

眾所周知，GABAA受體的三維結構很難利用X射線衍射晶體分析法解析出。長期以來，這種方法被認為是結構生物學的黃金標準。它需要蛋白結晶，這樣就能夠根據X射線衍射圖譜來確定蛋白結構。

在一項新的研究中，來自美國德克薩斯大學西南醫學中心的研究人員尋求低溫電鏡技術（cryo-EM）的幫助。他們利用cryo-EM技術首次成功地解析出GABAA受體結合到GABA和藥物氟馬西尼（flumazenil）上的三維結構。相關研究結果於2018年6月27日在線發表在Nature期刊上，論文標題為「Structure of a human synaptic GABAA receptor」。論文通信作者為德克薩斯大學西南醫學中心神經科學與生物物理學助理教授Ryan Hibbs博士。論文第一作者為Hibbs實驗室博士後研究員Shaotong Zhu博士。

這些研究人員在燒瓶中利用細胞表達人突觸GABAA受體並加以純化，並將電生理學實驗和利用cryo-EM技術獲得的結構信息結合在一起來測試地西泮（一種苯二氮卓類藥物）和氟馬西尼對這種GABAA受體的影響，其中氟馬西尼用於逆轉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合，並解釋諸如苯二氮卓類藥物和氟馬西尼---它競爭性地作用於相同的位點上來逆轉苯二氮卓類藥物的效果---之類的藥物為何特異性地作用於這種受體上。這對於理解藥物結合機制和設計治療多種神經疾病的新葯產生深遠的影響。」

13. Nature：重大突破！首次從結構上揭示間日瘧原蟲入侵人紅細胞機制

doi:10.1038/s41586-018-0249-1

瘧原蟲入侵人體的年輕紅細胞，隨後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（cryo-EM）首次在原子水平上揭示出間日瘧原蟲（Plasmodium vivax）如何入侵人體紅細胞的三維藍圖。他們繪製出這種瘧原蟲與它們入侵的年輕紅細胞之間的首次接觸，從而破解了它們用來附著到人紅細胞上的分子機器---間日瘧原蟲蛋白PvRBP2b與人轉鐵蛋白受體1（TfR1）和轉鐵蛋白結合在一起而形成的一種三元入侵複合物---的三維結構。這為開發新型瘧疾疫苗邁出了重要的一步。相關研究結果於2018年6月27日在線發表在Nature期刊上，論文標題為「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學研究所研究員Zhiheng Yu博士和澳大利亞沃爾特-伊麗莎-霍爾醫學研究所的Wai-Hong Tham博士。論文第一作者為沃爾特-伊麗莎-霍爾醫學研究所的Jakub Gruszczyk博士和霍華德休斯醫學研究所的Rick Huang博士。

今年初，在一項發表在Science期刊上的研究中，這些研究人員已發現間日瘧原蟲通過劫持人轉鐵蛋白受體入侵人體紅細胞（Science, doi:10.1126/science.aan1078，詳情參見生物谷新聞報道：重磅！開發瘧疾疫苗有戲！揭示間日瘧原蟲通過劫持人轉鐵蛋白受體入侵紅細胞）。如今，在革命性的cryo-EM技術的幫助下，他們能夠在原子水平下可視化觀察PvRBP2b與TfR1和轉鐵蛋白之間的相互作用。這就為開發潛在的抗瘧疾藥物和疫苗奠定基礎。

間日瘧原蟲是世界上分布最為廣泛的瘧原蟲，也是非洲以外絕大多數國家中的瘧疾病例的主要原因。鑒於它隱藏在人體肝臟中而不被免疫系統檢測到，它也是導致複發性瘧疾感染的頭號瘧原蟲。

在這種三維結構的指導下，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節，並鑒定出它的最為脆弱的位點。

Tham說，「這基本上是一項設計挑戰。間日瘧原蟲是非常多樣化的，這對疫苗開發具有挑戰性。我們如今鑒定出這種分子機器，它將是開發出有效地抵抗一系列間日瘧原蟲的抗瘧劑疫苗的最好靶標。」

她說，「憑藉這種前所未有的細節，我們如今能夠開始設計專門靶向和破壞這種瘧原蟲的三元入侵複合物的新型療法，以便阻止它們劫持人紅細胞並通過血液在體內擴散，從而最終阻止它們傳播給其他人。」

14. Cell：首次解析出人teneurin蛋白的三維結構，竟類似於細菌毒素

doi:10.1016/j.cell.2018.03.036

一類被稱作teneurin的蛋白位於細胞的表面上，並與其他細胞表面上的其他蛋白相結合，從而進行細胞間通信。它們參與多個過程，包括胚胎髮育、引導神經元軸突向正確的位置延伸從而與其他的神經細胞建立連接和有助這些連接（也稱作突觸）形成。

基於編碼teneurin蛋白的基因序列，人們已隱約覺得teneurin蛋白類似於細菌毒素，即細菌用來攻擊和破壞宿主細胞的毒性分子。在一項新的研究中，美國芝加哥大學的Demet Ara?博士和斯坦福大學的Georgios Skiniotis及其同事們首次利用高解析度電鏡技術解析出人teneurin蛋白的三維結構。相關研究結果發表在2018年4月19日的Cell期刊上，論文標題為「Structural Basis for Teneurin Function in Circuit-Wiring: A Toxin Motif at the Synapse」。

一旦確定teneurin蛋白的結構後，Ara?和她的同事們也想要理解它們在發育期間和在神經系統中如何執行如此多不同的功能。他們猜測這可能與它們和細菌毒素之間存在的相似性有關。一種被稱作選擇性剪接的遺傳過程也可能有助teneurin蛋白執行各種任務。選擇性剪接導致單個基因編碼多個蛋白。在這個過程中，基因中被稱作外顯子的小片段可以被包括或排除在由該基因最終產生的信使RNA（mRNA）中。這些不同的mRNA依次翻譯為不同的可執行各種功能的蛋白版本。

Ara?和斯坦福大學的合作者ThomasSüdhof利用選擇性剪接過程，產生了兩種不同的teneurin蛋白版本，並測試了它們的功能。它們僅有微小的差異---2500個氨基酸中僅有7個不同，但是會產生重要的影響。缺乏7個特定氨基酸的teneurin蛋白版本能夠結合到一種在細胞間信號傳導中起著重要作用的細胞受體上。含有這7個氨基酸的teneurin蛋白版本不能夠與這種受體結合。相反，它促進了神經細胞之間的突觸形成。

Ara?說，鑒於teneurin蛋白的結構是明確的，她和她的博士後學者Jingxian Li博士希望繼續努力理解這些蛋白如何發揮著它們的許多不同的作用。

15. Nature：解析出光合蛋白LH1–RC的三維結構

doi:10.1038/s41586-018-0014-5

在一項新的研究中，來自英國謝菲爾德大學的研究人員解析出一種光合蛋白的結構，並揭示出它如何將近紅外光轉化為電荷。這些發現為賦予生命的過程---光合作用---的效率和限制提供了新的見解。相關研究結果發表在2018年4月12日的Nature期刊上，論文標題為「Cryo-EM structure of the Blastochloris viridis LH1–RC complex at 2.9 ?」。

植物和藻類利用葉綠素吸收來自太陽的能量，為波長高達720nm下的光合作用提供能量，其中這種波長位於光譜的紅光部分，也是人眼可見光的極限處。但是，一些細菌能夠將使用的光線能量邊界推進到近紅外區域。

這項開創性的研究是對來自綠色綠芽菌（Blastochloris viridis）的光合LH1-RC複合物進行的。這種複合物能夠收集和使用波長超過1000nm的光線。

這種複合物的結構是利用低溫電鏡技術確定的，它展示了它如何將近紅外光轉化為電荷，從而促進細胞代謝。這種代謝使得細菌能夠在地球上光合作用的紅光極限處生存下來。

論文共同通信作者、謝菲爾德大學分子生物學與生物技術系的Neil Hunter教授說，「光合作用是地球上所有生命的主要能量來源，因此了解這種過程的限制是比較重要的，因此我們能夠理解如何增加光譜覆蓋率和提高光合作用效率。」

這項研究是首次利用低溫電鏡技術解析出一種光合複合物的詳細結構，並且也是首次獲得一種使用紅光極限波長的光線的複合物的結構。

如今，這些研究人員的目標是根據所涉及的蛋白和色素確定決定這種複合物功能的最為重要的因素。（生物谷Bioon.com）

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！