Structure:二型分子伴侶晶體和電鏡結構

2020-12-08 生物谷

10月13日，結構生物學著名期刊《結構》(Structure)以封面文章形式發表了中國科學院生物物理研究所孫飛研究組和微生物研究所董志揚研究組合作完成的關於二型分子伴侶開口狀態的晶體與電鏡結構最新研究成果。該文的三個共同第一作者霍豔武、胡仲軍和張凱分別在蛋白質純化晶體生長，電鏡圖像處理和晶體結構解析方面做出了重要貢獻，微生物研究所的王麗則提供了樣品的生化實驗數據。


圖片來源：Structure

分子伴侶素（Chaperonins）是一種ATP依賴的協助蛋白摺疊的多亞基雙環複合物，在此之前，關於二型分子伴侶素核酸結合功能態的結構以及功能循環各個環節中的構象變化的研究都不是很透徹，其中最為關鍵的因素就是沒有此類分子開口狀態的高解析度結構。該研究將冷凍電鏡三維重構和X射線晶體學有效地結合在一起，獲得了第一個開口狀態的二型分子伴侶3.7?解析度的結構，對人們認識此類分子的功能循環過程提供了非常關鍵的結構信息。

該研究以來源於古菌Acidianus tengchongensis (AT) strain S5的二型分子伴侶素ATcpnβ為研究對象， 利用負染電鏡三維重構的方法獲得了rATcpnβ的14 ?解析度的閉合構象，分析發現該構象與先前報導的閉口狀態同源晶體結構的單個亞基符合得非常好；同時利用低溫電鏡三維重構方法，獲得了ATcpnβ apo狀態8.8 ?解析度的三維結構及ATP結合但未水解狀態的8.4 ?解析度的三維結構，發現均呈現開口不對稱構象，上環結構較下環結構閉合（但上環並不是完全閉合的狀態），該構象與先前報導的同源晶體結構符合較差，特別是在頂端結構域。

此外，研究人員經過大量努力，獲得了ATcpnβ結合ADP的開口狀態的3.7?解析度的晶體衍射數據，以低溫電鏡結構為模型，通過分子置換法解析了其晶體結構，獲得了第一個具有9次對稱性的完整二型分子伴侶開口狀態的晶體結構，而此前只有8次對稱性的閉口狀態的原子解析度晶體結構。分析發現，該晶體結構的單個亞基能夠與rATcpnβ結合ATP（但未水解）的開口構象非常好地吻合。通過比較開口構象和閉合構象，較為準確地觀察到二型分子伴侶在從ATP結合到ATP水解過程的精細構象變化——整個亞基作為剛體向內的翻轉運動和頂端區相對於赤道結構域～30度的旋轉。

此前由於缺乏高解析度的晶體結構，有些研究認為分子伴侶的腔體關閉僅僅與lid結構域的運動有關，另一些研究則認為是整個亞基向內的運動所致，該研究獲得的高解析度晶體結構解決了這些爭議，提供了最為準確的構象變化過程。

此外，該研究成果充分表明了將電鏡三維重構與X射線晶體學結合在一起對於研究生物超分子複合體的結構、闡述生物問題的巨大優勢，這也是結構生物學發展的一個重要趨勢。此前，由於技術條件的限制，國內的結構生物學研究主要以X射線晶體學為主，電鏡和晶體學結合的成功例子很少；現在，國內在電鏡三維重構技術方面給以巨大投入，該研究無疑是在這種局勢下的一個成功範例。（生物谷Bioon.com）

生物谷推薦英文摘要：

Structure doi：10.1016/j.str.2010.07.009

Crystal Structure of Group II Chaperonin in the Open State
Yanwu Huo，Zhongjun Hu, Kai Zhang, Li Wang, Yujia Zhai, Qiangjun Zhou, Gabe Lander, Jiang Zhu, Yongzhi He, Xiaoyun Pang, Wei Xu, Mark Bartlam, Zhiyang Dong, Fei Sun

Thermosomes are group II chaperonins responsible for protein refolding in an ATP-dependent manner. Little is known regarding the conformational changes of thermosomes during their functional cycle due to a lack of high-resolution structure in the open state. Here, we report the first complete crystal structure of thermosome (rATcpnβ) in the open state from Acidianus tengchongensis. There is a ～30° rotation of the apical and lid domains compared with the previous closed structure. Besides, the structure reveals a conspicuous hydrophobic patch in the lid domain, and residues locating in this patch are conserved across species. Both the closed and open forms of rATcpnβ were also reconstructed by electron microscopy (EM). Structural fitting revealed the detailed conformational change from the open to the closed state. Structural comparison as well as protease K digestion indicated only ATP binding without hydrolysis does not induce chamber closure of thermosome.

相關焦點

  • 生物絕緣跨膜分子線的晶體結構
    生物絕緣跨膜分子線的晶體結構 作者：小柯機器人 發布時間：2020/4/19 20:53:15 英國東英吉利大學Thomas A.
  • 組蛋白分子伴侶OsChz1調控染色質結構的分子機制
    acts as a histone chaperone in modulating chromatin organization and genome function in rice的研究論文，揭示了水稻組蛋白分子伴侶OsChz1調控染色質結構與基因表達的分子機制。
  • 從原理、功能到結構，細數掃描電鏡和透射電鏡的區別
    現如今，具有高解析度的透射電子顯微鏡(TEM)和掃描電鏡(SEM)在材料分析研究中的應用日趨廣泛，已經成為現代實驗室中一種不可或缺的研究晶體結構和化學成分的綜合儀器。透射電子顯微鏡常用於觀察普通顯微鏡不能分辨的細微物質結構，掃描電子顯微鏡主要用於觀察固體表面的形貌。有時，將兩者有機結合可以得到比較全面的材料分析結果。下面將從多方面比較，細數掃描電鏡和透射電鏡的區別。
  • 基於冷凍電鏡的新技術MicroED解析1.4埃晶體結構
    Alpha-突觸核蛋白(Alpha-synuclein)是路易小體(Lewy body)的主要成分，與帕金森病和其他神經退行性病變密切相關。日前，科學家們使用尖端技術MicroED(micro-electron diffraction)解析了Alpha-突觸核蛋白的毒性核心，獲得了解析度超高的晶體結構。程亦凡博士在九月九日的Nature雜誌上發表文章，探討了這一重大進展在結構生物學中的意義。　　程亦凡博士是加州大學舊金山分校的副教授，他原本是物理學博士，後來改用物理學方法研究生物問題。
  • 陳明偉/劉攀Angew:MOFs晶體亞層表面結構及其結構演化
    MOFs晶體生長的重要性，我們利用先進的低劑量Cs校正HRTEM成功地對MIL-101 MOF晶體的亞層表面進行了成像和結構表徵。亞層表面與傳統晶體材料一樣，結構決定性能。MOFs發展很大程度上取決於對其分子和原子結構的全面理解，因為這對設計和合成具有最佳孔隙率和拓撲結構的新MOFs，實現所需的功能至關重要。近二十年來，雖然MOFs在製備和應用領域發展很快，但有關電子束敏感材料—MOFs的結構表徵，尤其是局部缺陷結構，如點缺陷，表面，界面等，仍然十分匱乏。
  • 南科大Nano Energy:冷凍電鏡觀測鈣鈦礦太陽能電池缺陷結構
    然而，對於該類材料在原子尺度上的的表徵卻很有限，因為鈣鈦礦晶體結構中的有機基團對於電子束十分敏感，在高能電子的照射下容易脫出原有的晶格位點進而非晶化，該特點極大地限制了人們從原子層面理解鈣鈦礦的結構以及其特性：比如，確定鈣鈦礦內晶界結構以及取向、統計材料內部缺陷種類以及密度，這些結構因素都直接影響到鈣鈦礦材料性能表現和工作效率。
  • 蔣華良:冷凍電鏡結構測定發現G蛋白偶聯受體信號傳導新化學修飾
    該研究引起我興趣的不是GPCR-G蛋白及其內外源性配體複合物的電鏡結構，而是電鏡結構測定結合蛋白質質譜 (MS) 分析發現的GPCR與G-蛋白結合時G-蛋白上棕櫚醯化修飾，據我所知，這是在G-蛋白α-亞基C末端上首次發現的新修飾，預示著結構生物學技術可能可以介入生物大分子化學修飾研究，為表觀遺傳學等領域的研究提供新的技術和策略。
  • 低溫電鏡解析蛋白結構十大進展
    結構生物學領域有一條不成文的觀點：結構決定功能。只有知道生物分子的原子排布，科學家們才能了解這個蛋白的功能。幾十年來，分析蛋白結構有一個無冕之王——X射線晶體衍射。在X射線晶體衍射中，科學家們讓蛋白結晶，然後利用X射線照射，隨後根據X射線的衍射來重建蛋白的結構。
  • PNAS | 復旦揭示植物組蛋白分子伴侶識別組蛋白的結構基礎
    為了探索NRP1移除核小體的分子機制，本研究解析了NRP1與組蛋白H2A-H2B的複合物晶體結構（3.0 Å），發現NRP1的N端結構域可以直接結合H2A-H2B，這是NAP1家族蛋白沒有被發現過的一種新的組蛋白結合方式。
  • 生物物理所解析III-A型CRISPR-Cas效應複合物原子解析度電鏡結構
    然而，由於目前III-A型CRISPR-Cas效應複合物僅有幾個低解析度的電鏡結構（17-30埃），所以對於III-A型CRISPR-Cas系統的若干問題，包括其效應複合物的組裝形式，crRNA 5』-handle非互補target RNA激活Csm1的ssDNA切割活性的結構基礎以及促使腺苷酸環化的結構機制是什麼等並不清楚。
  • Cell:科學家揭示分子伴侶催化蛋白質正確摺疊的分子機制
    實際上蛋白質在進行不恰當的摺疊過程中，其就不會在履行正常的職責了，或者說是其會聚集在一起形成無用的聚集體，隨後則將引發一系列疾病，比如阿爾茲海默氏症等，因此為了避免蛋白質發生這樣的不恰當摺疊，就需要有蛋白質分子伴侶的幫助，其可以幫助蛋白質以使得蛋白質順利完成摺疊成為有用的蛋白質。
  • Nature、Science和Cell三大期刊低溫電鏡解析蛋白結構重大研究
    結構生物學領域有一條不成文的觀點：結構決定功能。只有知道生物分子的原子排布，科學家們才能了解這個蛋白的功能。幾十年來，分析蛋白結構有一個無冕之王——X射線晶體衍射。在X射線晶體衍射中，科學家們讓蛋白結晶，然後利用X射線照射，隨後根據X射線的衍射來重建蛋白的結構。
  • 晶體的結構和性質
    一、晶體的常識1．晶體與非晶體⑴晶體與非晶體的特徵◆常見的晶體和非晶體晶體：離子化合物、冰、金屬、寶石、水晶、大部分礦石。非晶體：玻璃、橡膠、瀝青等除晶體外的固體，玻璃又稱玻璃體。⑵得到晶體的途徑①熔融態物質凝固。
  • Nature綜述丨冷凍電鏡在藥物發現中的應用前景
    X-ray晶體衍射在這三種方法中一直是佔主導地位，在PDB資料庫中，晶體結構大約佔總數的90%，NMR結構佔9%，剩下EM結構僅佔不到1%(圖1)。儘管如此，這三種技術各自有各自的優勢和地位。　　X-ray晶體衍射主要覆蓋的蛋白分子大小在10-150 kd，超過150 kd的晶體結構非常少，不過大部分蛋白都在這個分子量範圍內。
  • 我國科學家首次解析綠硫細菌光合作用反應中心複合物冷凍電鏡結構
    綠硫細菌的光合作用系統整體結構十分獨特，包括外周捕光天線綠小體(chlorosome)、內周捕光天線FMO（Fenna-Matthews-Olson）和鑲嵌於細胞膜上的反應中心(GsbRC)(圖1)。綠硫細菌的光反應中心為鐵-硫型(type-I型)，其核心由兩個相同的蛋白亞基構成(即同質二聚體)。
  • 小分子晶體養不好？先「找個伴」吧
    圖片來自網絡為了拿到分子結構，有人用上了號稱「無需長單晶」晶體海綿法（點擊閱讀詳情），有人搬出了諾獎認證的冷凍電鏡（點擊閱讀詳情），還有更多人在想辦法降低晶體培養的難度圖片來源：University of Stuttgart其實，分子伴侶（molecular chaperone）在自然界一直都存在，細胞內的分子伴侶蛋白質能夠協助新合成肽鏈摺疊裝配成正確的三級結構。而在大分子蛋白質的結構解析中，「結晶伴侶」也早有應用（Acta Crystallogr. Sect.
  • 中國科大成功解析人類皰疹病毒6B型近原子解析度冷凍電鏡結構
    近日，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心、生命科學學院教授畢國強課題組、美國加州大學洛杉磯分校教授周正洪課題組與華東師範大學研究員梅曄合作，利用高分辨冷凍電鏡單顆粒分析技術首次解析了人類皰疹病毒6B型的近原子解析度結構。
  • Solid State Chem.】二碲化釩(V1+xTe2)的晶體結構
    二碲化釩在高於轉變溫度482 K時具有Cd（OH）2-型結構，晶胞尺寸ah= 3.638 Å，ch= 6.582 Å。
  • :人源組蛋白分子伴侶DAXX與組蛋白H3.3-H4...
    2012年11月11日， Nature Structural & Molecular Biology在線發表了生物物理所生物大分子國家重點實驗室許瑞明課題組、李國紅課題組與美國Mayo Clinic張志國實驗室合作的關於組蛋白分子伴侶與組蛋白變體的最新科研成果
  • 中國科大解析人類溶酶體維生素B12外排蛋白ABCD4的電鏡結構
    >的近原子解析度三維結構，為深入理解該類膜蛋白轉運的分子機制以及其突變引發疾病的致病機理提供了基礎。其症狀表現為肌張力減退、骨髓抑制、巨紅細胞性貧血和心臟病等。然而溶酶體內維生素B12外排的分子機制卻不清楚，制約了對相關疾病的深入了解和治療。