2019年10月28日 訊 /生物谷BIOON/ --本期為大家帶來的是結構生物學領域的最新研究進展盤點，希望讀者朋友們能夠喜歡。
DOI: 10.7554/eLife.48909
最近，在《eLife》雜誌上發表的一項新研究發現，通過對某個細菌蛋白進行單個胺基酸突變，會改變其結構和功能，進而揭示了複雜基因進化的影響。這項以大腸桿菌為對象的研究可以幫助人們更好地理解轉運蛋白的進化及其在耐藥性中的作用。
紐約大學化學系副教授，該研究的資深作者Nate Traaseth說：「我們發現微小的突變對於轉運蛋白的結構和功能十分重要。」
細胞膜是保護細胞內部不受外界環境的影響的關鍵。轉運蛋白位於細胞膜中，它能夠調控物質進出細胞的過程。這些轉運蛋白通過在細胞膜一側裝載貨物，然後通過改變其結構在另一側釋放，從而主動地使物質在細胞膜兩側轉運。
此前研究表明，膜轉運蛋白通常由多個重複元件組成。在複雜的轉運蛋白中，每個結構單元的遺傳序列融合在一起，成為編碼該蛋白質的基因。研究者們認為，這種重複的模式是由分子量較小的膜蛋白基因演化而來，並通過複製融合在一起。然而，研究者們一直不清楚從單個融合基因產生更複雜的轉運蛋白是否具有進化優勢？
為了對此進行調查，紐約大學化學系的Traaseth及其同事Maureen Leninger和Ampon（Callie）Sae Her研究了一種在大腸桿菌中發現的簡單轉運蛋白。某些大腸桿菌菌株可能會導致嚴重疾病的發生，並且它們對抗生素的抵抗力越來越強。究其原因，是由於細菌膜上的轉運蛋白EmrE能夠將「有毒」化合物主動排出。
已知EmrE由兩個相同的蛋白質亞基組成，實驗表明，改變兩個蛋白質亞基之一中的單個胺基酸（構成蛋白質的結構單元），使其彼此產生微小差異，能夠顯著改變轉運蛋白的結構和功能。
這種平衡的打破會改變轉運蛋白從大腸桿菌中去除有毒化學物質的能力，並降低細菌對藥物的抗藥性。總之，該研究可能對藥物開發和抗藥性研究產生影響。
Traaseth說：「儘管這些發現的臨床應用距離我們只有幾步之遙，但了解藥物轉運蛋白的進化使我們對細菌如何通過突變產生耐藥性有了新的認識。」
DOI: 10.1038/s41586-019-1633-1
結核病是一種感染率極高的肺部傳染性疾病，通常通過氣溶膠傳播。根據世界衛生組織（WHO）的估計，全世界每年有170萬人死於這種類型的感染。此外，世界人口的四分之一攜帶至少一種結核病病原菌，雖然長期處於無症狀的「休眠」狀態，但最終可能會爆發。
結核分枝桿菌是結核病的主要致病菌，它通過VII型分泌系統（由駐留在細胞膜中的蛋白質組成的複合體）分泌大量效應蛋白。效應蛋白專門用於抵抗宿主免疫防禦，以確保細菌在宿主中存活。然而，目前科學家們對這些分泌系統的運作機制仍然知之甚少。
近日，和西班牙癌症研究中心CNIO的科學家現在已經成功地解析了這些納米機器的分子結構。相關結果發表在最近的《Nature》雜誌上。文章作者是來自分子感染生物學研究所的Sebastian Geibel博士。
在過去五年中， Geibel博士的團隊一直致力於製備可用於冷凍電子顯微鏡觀測的蛋白樣品。之後，通過與馬德裡的Oscar Llorca研究小組合作，使用複雜的數據處理策略計算了蛋白質複合物的三維圖，並最終創建該複合體的分子結構模型。從中研究人員能夠發現傳輸孔形成的關鍵因素，並找到將化學能轉化為動能從而驅動效應蛋白傳輸的機制。
研究人員的發現導致對VII型分泌系統的功能有了更深的了解。目前分枝桿菌對抗生素的耐藥性不斷提高，而且沒有針對肺結核的有效疫苗。研究人員的這一發現為開發針對VII型分泌系統的新型抗生素提供了重要的基礎。
DOI: 10.1016/j.cell.2019.09.017
近日，研究人員首次在分子水平上觀察到與許多健康問題相關的蛋白質是如何工作的。
這一發現未來可能有助於開發針對炎症，冠狀動脈疾病，癌症，多發性硬化症等相關疾病的治療方法。相關結果發表在最近的《Cell》雜誌上。
在該研究中，俄勒岡健康科學大學研究助理Alanna McCarthy和OHSU研究人員Steven Mansoor博士使用冷凍電子顯微鏡技術，獲得P2X7蛋白質受體的3D結構，並進一步觀察其內部工作原理。
據悉，這一名叫P2X7的蛋白質是一種細胞膜蛋白受體，可以使帶電荷的鈉和鈣顆粒進入胞內並傳導信號。P2X7受體是配體門控離子通道P2X家族的一種亞型，與炎症，動脈斑塊堆積，癌症轉移，神經系統疾病等有關。P2X7之所以與眾不同，是因為P2X7一旦被激活，其通道就會無限期地保持開放狀態，從而不斷地使帶電粒子進入細胞並觸發炎症的信號傳導途徑，最終導致細胞死亡。這樣的信號傳導行為可能導致與受體相關的一系列疾病的發生。
與先前的諸多研究不同，該團隊的冷凍電鏡成像方法使他們能夠完全解析蛋白質受體的結構。之後，作者發現這一受體能夠被棕櫚醯基修飾，而當他們人為改變這一被修飾的胺基酸時，該受體不再無限期保持打開狀態，從而關閉了其觸發信號的能力。此外，作者還意外地發現鳥嘌呤核苷酸能夠與P2X7結合。
Mansoor和他的團隊將進一步探索棕櫚醯基和鳥苷核苷酸在P2X7細胞內信號傳導中的作用，它們對人類健康的潛在影響以及如何將其靶向治療與受體相關的健康狀況。
DOI: 10.1016/j.molcel.2019.06.007
最近，研究人員得到了原子解析度級別的脊椎動物視覺的蛋白質複合物的三維結構，這一發現對我們對生物信號傳導過程的理解以及相關藥物的設計具有廣泛的意義。
這些發現闡明了來自光子（光粒子）的信號如何在眼睛中放大。更重要的是，這項研究闡釋了G蛋白偶聯受體（GPCR）如何在人類中發揮作用。
「GPCRs參與了人體幾乎所有的生物過程，包括我們對於光線，味道，氣味的感知，心率的調節或肌肉收縮的方式-它們是30％以上藥物的靶點」。該論文的第一作者，化學生物學教授Richard Cerione實驗室的Yang Gao說道。
在該研究中，研究人員使用冷凍電子顯微鏡獲得了視紫紅質-轉導蛋白複合物的原子分辨結構。這些結構不僅提供了脊椎動物視覺的分子基礎，而且揭示了GPCR通常如何激活G蛋白的新型機制。
另外一位共同第一作者Sekar Ramachandran說：「我們從原子級別解析度的結構中學到的知識可能廣泛適用於其他GPCR信號系統。」
通過更多地了解不同的受體如何與不同的G蛋白特異性偶聯，研究人員希望獲得對設計特異性調節GPCR信號傳導的藥物的見識。
DOI:10.1038/s41586-019-1537-0
近日，一項刊登在國際雜誌Nature上的研究報告中，來自中國哈爾濱工業大學和北京大學的科學家們通過研究成功利用單粒子低溫電子顯微鏡（single-particle cryogenic electron microscopy）對人類T細胞受體複合物進行了研究。
T細胞主要扮演著在機體感染過程中發揮免疫反應的角色，此前研究結果表明，每個T細胞都有著自身的特殊受體，其對於其它細胞所產生的蛋白質非常敏感，如果特定蛋白被檢測到的話，T細胞就會被激活並且嘗試破壞異常的細胞；研究者表示，T細胞受體包括8個蛋白質，其中6個都是CD3蛋白，另外兩個則是TCR蛋白。
在一個既定的T細胞中，TCR蛋白存在於細胞膜外部，這就意味著，其是負責檢測外源性蛋白受體的一部分，CD3蛋白則存在於細胞膜上（呈螺旋狀），其能充當細胞和TCR蛋白之間的交流系統，這項研究中，研究人員利用特殊類型的電子顯微鏡研究了TCR和CD3蛋白相互作用和交流的多種方式。
此前研究中研究者發現有兩種類型的TCR蛋白（TCRα和TCRβ）和4種類型CD3蛋白（CD3ε、CD3γ， CD3δ和CD3ζ），他們認為每一種類型的蛋白質在檢測外源性蛋白上都扮演著非常關鍵的角色，研究者希望能利用解析度為3.7埃的單粒子低溫電子顯微鏡對每一種蛋白質所扮演的角色進行深入研究。
研究者指出，我們的成像結果提供了一定的理論依據，揭示了T細胞或能以一種方向選擇性的方式來發揮作用，當其識別抗原時其能充當一種力學傳感器，其還能在一個方向上與配體進行結合，研究者希望能夠深入研究CD3螺旋結構的跨膜束，其能以平行的方式存在，相對於代替脂質溶解蛋白質的膜材料。本文研究結果或能為後期科學家們深入研究機體免疫反應的分子機制提供一個更好的平臺，也有望幫助開發諸如自身免疫性疾病等多種人類疾病的新型療法。
doi:10.1016/j.cell.2019.07.028.
在一項新的研究中，來自瑞士保羅謝勒研究所和製藥巨頭羅氏公司的研究人員在開發阻止某些癌症轉移的藥用試劑方面邁出了重要的一步。通過使用瑞士光源（Swiss Light Source），他們解析出一種在癌細胞遷移中起關鍵作用的受體的結構。這使得鑑定出可以通過身體的淋巴系統阻止某些癌細胞擴散的藥用試劑成為可能。相關研究結果近期發表在Cell期刊上，論文標題為「Structural Basis for Allosteric Ligand Recognition in the Human CC Chemokine Receptor 7」。
當癌細胞在體內擴散時，稱為轉移瘤的繼發性腫瘤就可形成。這些繼發性腫瘤導致大約90％的癌症患者死亡。傳播癌細胞的一個重要途徑是通過淋巴系統，淋巴系統像血管系統一樣貫穿整個身體並將淋巴結彼此相互連接在一起。當白細胞通過淋巴系統遷移以便協調對抗病原體的防禦時，作為一種特定的膜蛋白，趨化因子受體7（CCR7）起著重要作用。它位於細胞膜中，它可以接收外部信號並將這些信號傳遞到細胞內部。在與羅氏公司的合作中，保羅謝勒研究所的研究人員首次能夠解析出CCR7的結構，這就為開發可以阻止某些常見的癌症轉移的藥物奠定基礎。
在所有脊椎動物的細胞中，20種不同的趨化因子受體可與40多種稱為趨化因子的信號蛋白相互作用。這些信號蛋白中的每一種僅適合於特定的受體。反過來，如果一種信號蛋白與受體結合，它會觸發細胞內的過程，從而導致針對這種信號蛋白攜帶的信號的特定細胞反應。
CCR7是控制體內細胞遷移的受體之一。一旦細胞外的合適信號蛋白與它結合，細胞中的連鎖反應就會使得細胞向這種信號蛋白的最高濃度方向移動。細胞遵循這種趨化因子的軌跡移動，就像追蹤某種氣味的獵犬。比如，作為身體免疫系統的重要細胞，白細胞源源不斷地流向淋巴結。
癌細胞也可以利用CCR7並且為了自身的目的濫用這種細胞受體。合適的信號蛋白將它們引導出腫瘤並進入淋巴系統。此外，它們在體內擴散並最終在其他組織中形成轉移瘤。這些轉移性腫瘤極大地增加了患者的死亡風險。
為了提高癌症患者的存活率，抑制這種癌細胞轉移過程具有重要的醫學意義。這就是為什麼保羅謝勒研究所研究人員在該研究所的瑞士光源（SLS）上使用X射線晶體衍射技術來解析CCR7受體的結構。
這種結構成為了與羅氏公司合作尋找相應活性試劑的基礎。論文共同第一作者Steffen Brünle解釋道，「合適的活性試劑分子可以阻止信號蛋白與這種受體結合併在細胞內引起反應。」解析這種受體的結構是一個真正的挑戰。論文共同通訊作者、保羅謝勒研究所時間分辨晶體學研究小組聯合負責人Jörg Standfuss說，「針對這一點的困難之處在於：首先，以我們能夠利用X射線晶體學衍射技術研究它們的方式，培養出相應的晶體。」為了加快研究進程，羅氏公司開發了自己的新型蛋白修飾技術模塊，即所謂的結晶伴侶蛋白（crystallization chaperone）。
利用關於這種受體精確結構的信息，他們能夠鑑定出5種阻斷這種受體的潛在藥用分子，比如Navarixin，可阻止信號蛋白攜帶的信號傳遞到細胞中。Navarixin是一種多靶標拮抗劑。這5種化合物可作為潛在癌症治療藥物的候選藥物。Brünle說，「我們的實驗表明，細胞內的這種人工分子與這種受體結合。這阻止了導致細胞遷移的連鎖反應的啟動。」
doi:10.1126/science.aaw9144.
細胞依賴於稱為ATP合酶（ATP synthase）或ATP酶（ATPase）的蛋白複合物來滿足它們的能量需求。三磷酸腺苷（ATP）分子為維持生命的大部分過程提供能量。在一項新的研究中，奧地利科學技術研究所的結構生物學者Leonid Sazanov和博士後研究員Long Zhou如今解析出V/A-ATP酶家族代表性成員的首個原子結構，填補了這些必不可少的分子機器的進化樹上的空白。利用最新的低溫電鏡（cryo-EM）方法獲得的這些結果揭示了這種酶的結構類似於渦輪機或水磨機。相關研究結果發表在2019年8月23日的Science期刊上，論文標題為「Structure and conformational plasticity of the intact Thermus thermophilus V/A-type ATPase」。
旋轉動力
ATP合酶/ATP酶是大型膜蛋白複合物，它們具有相同的整體結構和旋轉催化機制。這種蛋白質家族包括在線粒體（細胞的能量工廠）、葉綠體（在植物中進行光合作用的細胞器）和細菌中發現的F型ATP酶，葉綠體（在植物中進行光合作用的細胞器）和細菌；在真核生物（具有細胞核的高等生物）中發現的V型ATP酶；在古細菌（古老的微生物）和一些細菌中發現的A型ATP酶。
不同類型的ATP酶
F型ATP酶和A型ATP酶通常起著產生ATP的作用，這種ATP產生由跨膜的質子流動驅動。V型ATP酶通常起著相反的作用，使用ATP泵送質子。V型ATP酶和A型ATP酶在結構上相類似，與F型ATP酶不同，具有兩個或三個外周莖部結構和位於結構域V1和V0之間的額外連接蛋白亞基。V型ATP酶很可能是從A型ATP酶進化而來的，由於這些相似性，A型ATP酶也被稱為V/A-ATP酶。一些細菌，包括嗜熱棲熱菌（Thermus thermophilus）獲得了A型ATP酶。Zhou純化出嗜熱棲熱菌的V/A-ATP酶：ThV1Vo，並利用cryo-EM研究了這種酶。與F型ATP酶相反的是，人們之前僅確定了V型ATP酶的V1和Vo結構域的結構。因此，人們並不清楚V1如何與Vo結合在一起，而且也不了解這個完整的催化循環。
可塑性和競爭
Sazanov和Zhou利用cryo-EM解析出完整的ThV1Vo酶的總共5種結構，而不是一種結構。這些結構代表著這種酶的幾種構象狀態，它們的不同之處在於轉子（rotor）在定子（stator）內部的位置。
ThV1Vo的整體構象可塑性表現為當從一種構象狀態向另一種構象狀態過渡時，V1結構在空間上的劇烈擺動。這是彎曲的中心轉子的旋轉和定子的剛度之間的機械競爭的結果。V1-Vo偶聯在一起是通過軸與連接到c環（c-ring）的V型ATP酶特異性亞基之間的緊密結構匹配和靜電匹配實現的。質子路徑的可視化揭示了帶電荷的蛋白殘基的分布與F-ATP酶中的存在著顯著差異，具有更嚴格的「檢查點」來防止這種酶的「滑落」。
為何增添額外的複雜性？
不同於具有單個外周莖部結構的F-ATP酶，諸如ThV1Vo之類的A-ATP酶具有兩個外周莖部結構，而真核生物V-ATP酶則具有三個。但是，在已非常大的蛋白組裝物上增添額外的複雜性以及連接V1和Vo的額外亞基的優勢是什麼？F1/V1結構域具有三重對稱性，因此定子在F1/V1內部每旋轉120°就產生（或消耗）一個ATP分子。
Sazanov說：「在V/A -ATP酶中，這一步是一次性旋轉120°，與此不同的是，在F-ATP合酶中，它分為幾個子步驟。因此，ThV1Vo可能需要更大的可塑性，以便將V1結構域中的這些120°旋轉步驟與Vo c12環中更小的每個c亞基步驟相關聯在一起。在V-ATP酶中，這種額外的靈活性可能通過這些額外的外周莖部結構和連接亞基加以實現。我們解析出的新結構顯示了這一點是如何實現的，這就為整個V-ATP酶家族提供了框架。」
DOI： 10.1073/pnas.1818530116
賓漢頓大學(Binghamton University)和科羅拉多丹佛大學(University of Colorado Denver)的研究人員組成的一個研究小組，首次繪製了一種導致阿爾茨海默症加速發展的侵略性蛋白質聚合體的分子結構。
賓漢頓大學生物物理化學助理教授Wei Qiang說："大約10%的老年痴呆症病例是由家族突變引起的。另外90%的病例是由野生型澱粉樣蛋白摺疊不當引起的。我們需要了解疾病病理的分子基礎。這樣我們或許有一天能創造出防止這種疾病退化的藥物。"
阿爾茨海默氏症是由一種叫做β-澱粉樣蛋白的有毒蛋白質片段形成一種叫做原纖維的鏈狀結構開始發展的，這種結構出現在腦細胞中，並殺死腦細胞。Qiang和科羅拉多丹佛大學的研究人員使用高解析度的固態核磁共振波譜來研究這些纖維。他們的工作揭示了這些纖維可能在人腦澱粉樣沉積的分子結構中具有主要的變異。更重要的是，纖維可以作為進一步纖維沉積的"種子"，這是阿爾茨海默病的一個潛在危險因素。
"這項工作描述了一種病理相關的β-澱粉樣纖維變異的分子結構模型，" Qiang說。"我們證明，這種變異可能導致新的澱粉樣蛋白纖維迅速播種，這可能有助於澱粉樣蛋白沉積在人腦中的擴散和放大。"
Qiang和他的團隊正在研究其他幾種類型的纖維變異，特別是結構變異、它們的播種能力和由此產生的細胞毒性水平之間的相關性。
"我們已經取得了令人興奮的結果，一份描述這些進一步發現的新手稿正在準備中，" Qiang說。
DOI： 10.1038/s41586-019-1391-0
幾乎所有的生物體，從細菌到人類，細胞膜上都有類似門的蛋白質複合物，可以清除不必要的或危及生命的分子。但這並不總是有利的，因為在細菌或癌細胞的情況下，這些複合物，稱為ABC轉運體，也負責對抗生素或化療的耐藥性。法蘭克福歌德大學(Goethe University Frankfurt)和同樣位於法蘭克福的馬克斯o普朗克生物物理研究所(Max Planck Institute of Biophysics)的研究人員，現在已經成功解密了該蛋白傳輸機制的所有階段，相關研究成果於近日發表在《Nature》上，題為"Conformation space of a heterodimeric ABC exporter under turnover conditions"。
在過去的五年裡，法蘭克福歌德大學生物化學研究所的Robert Tampe領導的研究小組投入了大量的精力來製備敏感的膜蛋白複合物樣品，使它們能夠在膜環境中通過低溫電子顯微鏡進行檢測。低溫電子顯微鏡通過冷凍分子來提供高解析度的圖像。
如果目標不僅是生成複雜分子的清晰圖像，如ABC轉運體，而且還要觀察它們的工作狀態，那麼就需要不同階段的快照。Tampe領導的生物化學家團隊通過向轉運體提供不同濃度的ATP和ADP來故意觸發這些過程。沒有ATP的能量供應，轉運體就無法根據細胞內部和周圍環境之間的濃度梯度進行分子移位。
在該研究中，Tampe和他的同事展示了由兩個不同的蛋白質亞基組成的ABC出口複合物的八個高解析度構象。研究人員還首次發現了轉運過程的中間階段。《Nature》雜誌的出版商將這一重要發現選為了該期的封面故事。
Tampe教授解釋說："我們的工作可能會帶來結構生物學的範式轉變，因為幾乎可以以原子解析度顯示細胞機器的所有運動。由於這一意外發現，我們現在可以回答關於ABC轉運體運輸機制的問題，這些問題之前是有爭議的辯論主題，與醫學高度相關。"此外，研究人員還首次觀察到通道是如何向內或向外打開的。2.8埃的解析度(1埃=千萬分之一毫米)是利用低溫電子顯微鏡對ABC轉運體結構成像的最高解析度。
DOI： 10.1126/science.aaw7611
近幾十年來，囊性纖維化患者的治療方案有了顯著改善。最新的藥物，即所謂的增強劑，針對的是一種叫做囊性纖維化跨膜電導調節劑的蛋白質，這種蛋白質在患者身上發生突變。然而，儘管這些藥物可以幫助一些CF患者，但它們遠非完美。此外，到目前為止，研究人員還沒有弄清楚這些藥物是如何起作用的。
洛克菲勒科學家的一項新研究首次描述了在原子解析度下增強劑和它們所針對的蛋白質之間的相互作用。《Science》雜誌最近的一份報告中描述的這項研究表明，兩種不同的化合物對同一蛋白質區域起作用--這一發現為開發更有效的藥物指明了方向。
尋找熱點
囊性纖維化跨膜電導調節因子（CTFR）是一個通道，當打開時，允許氯離子進出細胞。當CFTR發生突變時，離子無法自由流動，導致黏膜內壁的組成發生變化。這些變化在肺部尤其危險，它們會導致厚厚的粘液堆積，常常導致呼吸受損和持續感染。
增強劑用於增加離子通過CFTR的流動，改善囊性纖維化（CF）的一些症狀。目前，市場上只有一種這樣的藥物，叫做ivacaftor；另一個名為GLPG1837的項目正在開發中。
Ivacaftor可以改善大約10%的肺功能。它可以幫助很多很多病人，但它不是一種治療方法，也不是每個人都對它有反應。所以有很多人對開發新的增強劑感興趣。
為了實現這一目標，Chen和她的同事們研究了現有的增強劑是如何工作的。他們使用低溫電子顯微鏡--一種在冷凍標本上發射電子以揭示原子水平上蛋白質結構的技術--來研究附著在ivacaftor或GLPG1837上的CFTR的結構。出乎意料的是，研究人員發現這兩種藥物與蛋白質的同一位點結合。
"這些化合物由兩家不同的公司開發，具有非常不同的化學性質。但他們還是設法到達了同一個地點。這告訴我們，這是一個非常敏感、非常重要的蛋白質區域。"
更好的藥物，更多的途徑
在分析了兩個增強劑結合的"熱點"後，研究人員注意到一個特殊的特徵：這個區域包含在膜內的解開環，表示一個靈活的結構。研究人員意識到，這種靈活性具有實用功能。
Chen說："我們確定的區域實際上是一個鉸鏈，它可以打開讓離子通過通道--所以它的結構需要靈活。我們研究的化合物與那個區域結合，把它鎖在一個通道打開的構象中，以改善離子流動。這就是他們的工作方式。"
有了這些知識，研究人員希望製造出直接針對鉸鏈的化合物，並在保持離子通道暢通方面做得更好。在Chen和她的同事致力於新藥開發的同時，她鼓勵其他研究人員也這樣做。她希望這種競爭能夠降低增強劑的成本，讓更多的病人可以使用這種藥物。
"我們把原始數據放到網上，歡迎任何人使用它，"Chen說。"因為如果更多的研究人員使用它，就會有更多的治療選擇，價格會下降，更多的人會得到幫助。"
回顧這項突破性的研究，Chen讚揚了今年三月去世的David C. Gadsby的工作。他是Patrick A. Gerschel家族名譽教授、心臟和膜生理學實驗室主任，Gadsby在CFTR上的早期工作為Chen的大部分研究奠定了基礎。
"他對CFTR做了一系列漂亮的功能研究，他是靈感和知識的源泉，"她說道。"很遺憾，他沒有看到這些成果。我們把這項研究獻給他。"（生物谷Bioon.com）