冷凍電鏡技術在生物學上的應用前景
冷凍電鏡（Cryo-EM）憑借其無需結晶、可解析近原子級結構的優(yōu)勢，解決了傳統(tǒng)方法在復雜大分子結構解析中的核心障礙，已成為解析生命分子機制不可或缺的工具。應用涵蓋病毒、細菌、膜蛋白、動態(tài)過程及疾病機制等多個前沿領域，極大推動了結構生物學研究的突破與發(fā)展。
相關案例：
1. 病毒結構解析：從新冠病毒到噬藻體
- 新冠病毒刺突蛋白的動態(tài)構象
清華大學李賽團隊與浙江大學李蘭娟團隊合作解析出新冠病毒全病毒三維結構，對疫苗及抗體研發(fā)、疫情防控宣傳、科普教育、分子動力學模擬等具有十分重要作用。該研究開創(chuàng)性地展示了病毒腔內(nèi)核糖核蛋白復合物結構及組裝機制，揭示其內(nèi)部RNA與核蛋白以 “鳥巢 - 金字塔” 雙層排列的獨特組裝模式。研究還發(fā)現(xiàn)新冠病毒表面的刺突蛋白在融合前狀態(tài)及融合后狀態(tài)的三種不同構象，為疫苗設計提供了關鍵依據(jù)。
- 噬藻體A4的侵染機制
中國科學技術大學周叢照團隊解析了侵染模式藍藻魚腥藻PCC 7120的肌尾噬藻體A-1（L）尾部機器的完整三維結構，揭示了噬藻體A-1（L）與其特異性宿主藍藻相互作用的結構基礎和分子機制。該研究在前期報道A-1(L)正二十面體衣殼結構的基礎上（Journal of Virology, 2021），進一步解析其三組分尾部機器的結構，包括頸部、尾部和附著的纖維，幫助重注釋基因組，將注釋基因的比例提高至60%。該研究有助于深入理解噬藻體與宿主藍藻相互作用的分子機制，為將來開發(fā)環(huán)境友好型底盤噬藻體奠定理論基礎。
2. 免疫系統(tǒng)的分子機制
- DRT9 逆轉錄酶介導的抗噬菌體防御
南方科技大學賈寧團隊利用冷凍電鏡解析了細菌逆轉錄酶 DRT9 與非編碼 RNA（ncRNA）的復合物結構，發(fā)現(xiàn)其以雙層六聚體形式存在，ncRNA 形成獨特的 “樹狀結構”。當噬菌體侵染導致宿主細胞 dATP 濃度升高時，DRT9 被激活并合成長達數(shù)千核苷酸的 poly-A cDNA，通過 “扣押” 噬菌體復制必需的單鏈 DNA 結合蛋白（SSB）阻斷其增殖。這一發(fā)現(xiàn)拓展了對細菌免疫策略的認知，并為開發(fā)新型生物技術工具奠定了基礎。
3. 膜蛋白與離子通道的高分辨率解析
- 胞內(nèi)鈣離子對TRPC3/6通道調控的機制
北京大學陳雷團隊解析了TRPC3/6通道的一系列高分辨率冷凍電鏡結構，顯示在FSGS疾病中發(fā)現(xiàn)的TRPC6 GOF點突變都分布于胞內(nèi)區(qū)亞基間相互作用的界面上，有可能破壞了亞基間的相互作用。為了驗證此假說，陳雷團隊解析了GOF突變體的結構，并通過電生理和熱穩(wěn)定性實驗發(fā)現(xiàn)GOF突變體減弱了抑制性Ca2+結合位點（CBS1）的作用，使胞內(nèi)區(qū)結構變得松散，從而打開了陽離子從胞質內(nèi)空腔向胞質區(qū)流出的孔道。最后還解析了BTDM以及SAR7334與TRPC6結合的高分辨率結構（2.9 Å），明確了這些抑制劑與TRPC6結合的模式。該研究為理解TRPC3在心血管疾病中的作用及靶向藥物開發(fā)提供了直接結構模型。
- 人源全長雙孔鉀離子通道THIK1的獨特門控機制
復旦大學腦科學轉化研究院李保賓團隊通過高分辨冷凍電鏡技術，成功解析了THIK1野生型及關鍵突變體的三維結構，并結合全細胞膜片鉗記錄與分子動力學模擬分析，系統(tǒng)闡明了該通道的離子選擇性通透特性及其獨特的門控調控機制。這一發(fā)現(xiàn)不僅深化了對小膠質細胞電生理調控的認知，更為設計靶向 THIK1 通道的神經(jīng)疾病治療藥物提供了關鍵結構依據(jù)。
4. 動態(tài)過程研究：從蛋白酶體到核糖體組裝
- 蛋白酶體的變構調控與底物降解
北京大學毛有東團隊結合時間分辨冷凍電鏡與深度學習算法，捕獲了人源蛋白酶體在去泛素化酶 USP14 調控下的 13 種中間態(tài)構象。研究發(fā)現(xiàn) USP14 通過別構效應誘導蛋白酶體沿兩條并行路徑發(fā)生構象變化，揭示了其在底物識別、去泛素化及降解過程中的三個關鍵調控檢查點。該工作為癌癥和神經(jīng)退行性疾病的靶向治療提供了新靶點。
- 核糖體大亞基的成熟機制
南方科技大學曾福星團隊成功解析了YchF與核糖體50S亞基的復合物結構，發(fā)現(xiàn)YchF主要通過三個關鍵的位點與核糖體50S亞基結合。通過對OLA1基因進行敲除測序結果的分析和生化實驗驗證，研究人員證實了OLA1/YchF對D/E富集mRNA翻譯有促進作用，且調控的這些基因主要是核糖體以及翻譯相關的基因，通過調控這些蛋白mRNA的水平，進而調節(jié)細胞對壓力環(huán)境的響應和腫瘤的發(fā)生，為開發(fā)新的癌癥治療策略提供了重要的理論基礎。
5. 神經(jīng)退行性疾病相關蛋白結構
- 阿爾茨海默病 tau 蛋白的聚集體結構
英國利茲大學的研究團隊掃描了阿爾茨海默病患者的死后腦組織，研究表明，阿爾茨海默病患者大腦中的β-淀粉樣蛋白中存在混合的微觀絲狀結構，稱為纖維絲，以及其他結構。而在Tau蛋白中，研究發(fā)現(xiàn)了直線排列的細絲簇，盡管這些細絲的排列方式似乎因蛋白質在大腦中的位置而異。雖然這些聚集體在總體上相似，但在空間組織上存在差異，尤其是在Tau細絲的方向和扭曲方式以及β-淀粉樣蛋白纖維的大小方面。遺憾的是目前仍無法確定這些發(fā)現(xiàn)的具體意義。但給科學家們揭示阿爾茨海默病的發(fā)展機制提供了方向。并且還能啟示科學家用于分析其他神經(jīng)退行性疾病的根本原因。
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