冷凍電鏡+清華大學=7篇Cell、Nature、Science

　　每天關注Cell、Nature、Science(合稱CNS)等頂級期刊是小編的日常工作之一。近兩年，小編發現，除了「魔剪」CRISPR，冷凍電鏡也是這些期刊的「常客」。中國科學家在這一領域取得的成果是有目共睹的，而清華大學無疑是這一領域的「領軍者」之一。「冷凍電鏡+清華大學=CNS」這個公式雖有點誇張，但也不是毫無根據。

　　施一公

　　該校的施一公院士、顏寧教授是這一領域的知名科學家。最近，兩位學者都有新成果發表在CNS上。7月22日，施一公教授研究組在Science雜誌就剪接體的結構與機理研究發表兩篇長文，題目分別為「Structure of a Yeast Activated Spliceosome at 3.5 A Resolution」和「Structure of a Yeast Catalytic Step I Spliceosome at 3.4 A Resolution」。研究報導了釀酒酵母剪接體激活和剪接反應催化過程中兩個重要狀態的剪接體複合物近原子解析度的三維結構，闡明了剪接體的激活和催化機制，從而進一步揭示了前體信使RNA剪接反應的分子機理。

　　顏寧

　　顏寧教授在5月、8月和9月相繼在Cell、Nature和Science雜誌上發表了3篇論文。發表於Cell雜誌上的論文(題目：Structural insights into the Niemann-Pick C1 (NPC1)-mediated cholesterol transfer and Ebola infection)中，顏寧研究組與中國疾控中心、中科院微生物所高福院士研究組合作，首次報導了人源膽固醇轉運蛋白NPC1的4.4埃解析度冷凍電鏡結構，並探討了NPC1和NPC2介導細胞內膽固醇轉運的分子機制;同時還報導了NPC1與伊波拉病毒GPcl蛋白複合體6.6埃解析度的冷凍電鏡結構，為理解NPC1介導伊波拉病毒入侵的分子機制提供了分子基礎。

　　8月31日，在線發表於Nature雜誌上的研究(題目：Structure of the voltage-gated calcium channel Cav1.1 at 3.6 A  resolution)中，顏寧研究組報導了首個真核電壓門控鈣離子通道的近原子解析度三維結構，為理解具有重要生理和病理功能的電壓門控鈣離子和鈉離子通道的工作機理奠定了基礎。

　　9月22日，顏寧研究組與加拿大卡爾加裡大學陳穗榮研究組合作在Science雜誌上在線發表標題為 「Structural basis for the gating mechanism of the type 2 ryanodinereceptor RyR2」的研究長文，揭示了目前已知分子量最大的離子通道Ryanodine受體RyR2亞型處於關閉和開放兩種狀態的三維電鏡結構，探討了RyR2的門控機制。

關閉及開放構象的RyR2(圖片來源：清華大學醫學院)

　　高寧& 楊茂君

　　除了上述成果外，清華大學近期還發表了另外兩篇基於冷凍電鏡的Nature論文。5月25日，該校高寧研究組與合作者在Nature雜誌在線發表了題為「Diverse roles of assembly factors revealed by structures of late nuclear pre-60S particles」的研究論文。文章報導了位於酵母細胞核內的一系列組成上和結構上不同的核糖體60S亞基前體複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。該校生命科學學院高寧研究員和美國卡內基梅隆大學John L. Woolford Jr教授是這一研究的共同通訊作者。

　　9月21日，清華大學研究小組在Nature雜誌上發表了最新論文，首次報導了迄今為止解析度最高的線粒體呼吸鏈超級複合物—呼吸體的冷凍電鏡三維結構。清華大學楊茂君教授和高寧研究員是該研究的共同通訊作者。

圖註：a，不同側面呼吸體結構模型及密度。b，複合物I結構模型及密度。(引用自清華大學生命科學學院)

　　據清華大學生命科學學院報導，呼吸體蛋白分布於線粒體內膜上，是執行呼吸作用的超大分子機器。哺乳動物呼吸體I1III2IV1是由81個蛋白亞基(70種不同蛋白分子)所構成的分子量高達1.7兆道爾頓的膜蛋白超級複合物。該研究中，科學家小組拿到了結構穩定、均一性好的呼吸體超級複合物，同時驗證了一系列小分子化合物對呼吸體超級複合物的特異調節作用，為進一步的藥物開發奠定了良好的基礎。

　　藉助冷凍電鏡技術，並利用單顆粒三維重構的方法，研究小組最終獲得了整體5.4埃的近原子解析度結構，其中複合物I和複合物III的解析度達到3.97埃(圖a)。這一目前為止世界上所解析的最大也是最複雜的膜蛋白超級複合物結構為深入理解哺乳動物呼吸鏈複合物的組織形式、分子機理以及治療細胞呼吸相關的疾病提供了重要的結構基礎。

　　小編還注意到，在一年前的同一天(2015年9月21日)，楊茂君教授、高寧研究員和該校醫學院肖百龍研究員研究組合作在Nature雜誌上發表了題為「Architecture of the Mammalian Mechanosensitive Piezo1 Channel」的研究論文，首次報導了哺乳動物機械力敏感離子通道Piezo蛋白的高解析度冷凍電鏡結構。

　　中國內地科學家近年冷凍電鏡成果一覽

　　那麼，除了清華大學，冷凍電鏡在中國其它機構的應用狀況如何?它在中國的發展歷史是怎樣的?有哪些其他科學家發表了代表性的論文?這些問題的答案可以從施一公院士近期發表的題為《Biological cryo-electron microscopy in China》的綜述中找到。清華大學王宏偉(Hong-Wei Wang)教授(現任生命科學學院院長)、雷建林(Jianlin Lei)研究員(冷凍電鏡平臺主管)以及施一公院士是這一綜述的共同通訊作者。

　　點擊以下連結可以查看完整綜述：

　　http：//onlinelibrary.wiley.com/wol1/doi/10.1002/pro.3018/full

　　文章表示，冷凍電子顯微鏡(cryo-EM)在結構生物學的發展中越來越重要。目前，中國的生物學冷凍電鏡(biological cryo-EM)已進入快速發展階段。這一綜述具體回顧了生物學冷凍電鏡在中國的發展歷史，匯總了目前的使用情況，討論了這一技術對生物學研究的影響，並展望了它未來的前景。

　　該綜述列舉了近年來(2008-2016)中國內地科研人員發表的多項代表性成果，共計53篇(如下圖)，解析了冷凍電鏡在染色質組織、免疫反應、離子通道、光合作用、核糖體生物起源、RNA代謝和病毒結構等研究中的應用。在結論部分，作者們表示，儘管冷凍電鏡在其它國家也在快速、健康的發展，但是中國的增長速度遠超過世界平均水平;並且，這一趨勢預計會再持續5-10年。

　　特別備註：本文研究成果具體介紹參考自清華大學生命科學學院、醫學院官網多篇報導，綜述內容編譯自原文。

　　參考資料：

　　施一公研究組在《科學》發表背靠背兩篇論文 捕獲酵母剪接體兩個關鍵工作狀態高解析度電鏡結構

　　清華大學顏寧研究組在《細胞》發表論文報導人源NPC1蛋白結構， 並揭示其介導膽固醇轉運和伊波拉病毒入侵的分子機制

　　高寧研究組《自然》在線發表論文報導酵母核糖體組裝前體的高分辨冷凍電鏡結構

　　楊茂君研究組在《自然》發表論文首次報導了線粒體呼吸鏈超級複合物結構

　　清華大學醫學院顏寧研究組等在《科學》發文揭示心肌鈣離子通道RyR2長程門控機制的結構基礎

　　PROTEIN SCIENCE：A family tree of the Chinese electron microscopists

　　原始出處：

　　Wei Peng1，2，*， Huaizong Shen1，2，3，*， Jianping Wu1，2，3，*， Wenting Guo4， Xiaojing Pan1，2， Ruiwu Wang4， S. R. Wayne Chen4，?， Nieng Yan1，2，3，Structural basis for the gating mechanism of the type 2 ryanodine receptor RyR2.Science 22 Sep 2016

　　Jinke Gu，Meng Wu，Runyu Guo，Kaige Yan，Jianlin Lei，Ning Gao & Maojun Yang The architecture of the mammalian respirasome.21 September 2016