冷凍電鏡技術(shù)在生物學(xué)上的應(yīng)用前景

冷凍電鏡（Cryo-EM）憑借其無(wú)需結(jié)晶、可解析近原子級(jí)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，解決了傳統(tǒng)方法在復(fù)雜大分子結(jié)構(gòu)解析中的核心障礙，已成為解析生命分子機(jī)制不可或缺的工具。應(yīng)用涵蓋病毒、細(xì)菌、膜蛋白、動(dòng)態(tài)過(guò)程及疾病機(jī)制等多個(gè)前沿領(lǐng)域，極大推動(dòng)了結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究的突破與發(fā)展。

相關(guān)案例：

1. 病毒結(jié)構(gòu)解析：從新冠病毒到噬藻體

• 新冠病毒刺突蛋白的動(dòng)態(tài)構(gòu)象

清華大學(xué)李賽團(tuán)隊(duì)與浙江大學(xué)李蘭娟團(tuán)隊(duì)合作解析出新冠病毒全病毒三維結(jié)構(gòu)，對(duì)疫苗及抗體研發(fā)、疫情防控宣傳、科普教育、分子動(dòng)力學(xué)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(fù)合物結(jié)構(gòu)及組裝機(jī)制，揭示其內(nèi)部RNA與核蛋白以 “鳥巢 - 金字塔” 雙層排列的獨(dú)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(gòu)象，為疫苗設(shè)計(jì)提供了關(guān)鍵依據(jù)。

• 噬藻體A4的侵染機(jī)制

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)周叢照?qǐng)F(tuán)隊(duì)解析了侵染模式藍(lán)藻魚腥藻PCC 7120的肌尾噬藻體A-1（L）尾部機(jī)器的完整三維結(jié)構(gòu)，揭示了噬藻體A-1（L）與其特異性宿主藍(lán)藻相互作用的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和分子機(jī)制。該研究在前期報(bào)道A-1(L)正二十面體衣殼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上（Journal of Virology, 2021），進(jìn)一步解析其三組分尾部機(jī)器的結(jié)構(gòu)，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(lán)藻相互作用的分子機(jī)制，為將來(lái)開發(fā)環(huán)境友好型底盤噬藻體奠定理論基礎(chǔ)。

2. 免疫系統(tǒng)的分子機(jī)制

• DRT9 逆轉(zhuǎn)錄酶介導(dǎo)的抗噬菌體防御

南方科技大學(xué)賈寧團(tuán)隊(duì)利用冷凍電鏡解析了細(xì)菌逆轉(zhuǎn)錄酶 DRT9 與非編碼 RNA（ncRNA）的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)其以雙層六聚體形式存在，ncRNA 形成獨(dú)特的 “樹狀結(jié)構(gòu)”。當(dāng)噬菌體侵染導(dǎo)致宿主細(xì)胞 dATP 濃度升高時(shí)，DRT9 被激活并合成長(zhǎng)達(dá)數(shù)千核苷酸的 poly-A cDNA，通過(guò) “扣押” 噬菌體復(fù)制必需的單鏈 DNA 結(jié)合蛋白（SSB）阻斷其增殖。這一發(fā)現(xiàn)拓展了對(duì)細(xì)菌免疫策略的認(rèn)知，并為開發(fā)新型生物技術(shù)工具奠定了基礎(chǔ)。

3. 膜蛋白與離子通道的高分辨率解析

• 胞內(nèi)鈣離子對(duì)TRPC3/6通道調(diào)控的機(jī)制

北京大學(xué)陳雷團(tuán)隊(duì)解析了TRPC3/6通道的一系列高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，顯示在FSGS疾病中發(fā)現(xiàn)的TRPC6 GOF點(diǎn)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(yàn)證此假說(shuō)，陳雷團(tuán)隊(duì)解析了GOF突變體的結(jié)構(gòu)，并通過(guò)電生理和熱穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)GOF突變體減弱了抑制性Ca2+結(jié)合位點(diǎn)（CBS1）的作用，使胞內(nèi)區(qū)結(jié)構(gòu)變得松散，從而打開了陽(yáng)離子從胞質(zhì)內(nèi)空腔向胞質(zhì)區(qū)流出的孔道。最后還解析了BTDM以及SAR7334與TRPC6結(jié)合的高分辨率結(jié)構(gòu)（2.9 Å），明確了這些抑制劑與TRPC6結(jié)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(jié)構(gòu)模型。

• 人源全長(zhǎng)雙孔鉀離子通道THIK1的獨(dú)特門控機(jī)制

復(fù)旦大學(xué)腦科學(xué)轉(zhuǎn)化研究院李保賓團(tuán)隊(duì)通過(guò)高分辨冷凍電鏡技術(shù)，成功解析了THIK1野生型及關(guān)鍵突變體的三維結(jié)構(gòu)，并結(jié)合全細(xì)胞膜片鉗記錄與分子動(dòng)力學(xué)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(dú)特的門控調(diào)控機(jī)制。這一發(fā)現(xiàn)不僅深化了對(duì)小膠質(zhì)細(xì)胞電生理調(diào)控的認(rèn)知，更為設(shè)計(jì)靶向 THIK1 通道的神經(jīng)疾病治療藥物提供了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)依據(jù)。

4. 動(dòng)態(tài)過(guò)程研究：從蛋白酶體到核糖體組裝

• 蛋白酶體的變構(gòu)調(diào)控與底物降解

北京大學(xué)毛有東團(tuán)隊(duì)結(jié)合時(shí)間分辨冷凍電鏡與深度學(xué)習(xí)算法，捕獲了人源蛋白酶體在去泛素化酶 USP14 調(diào)控下的 13 種中間態(tài)構(gòu)象。研究發(fā)現(xiàn) USP14 通過(guò)別構(gòu)效應(yīng)誘導(dǎo)蛋白酶體沿兩條并行路徑發(fā)生構(gòu)象變化，揭示了其在底物識(shí)別、去泛素化及降解過(guò)程中的三個(gè)關(guān)鍵調(diào)控檢查點(diǎn)。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(diǎn)。

• 核糖體大亞基的成熟機(jī)制

南方科技大學(xué)曾福星團(tuán)隊(duì)成功解析了YchF與核糖體50S亞基的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)YchF主要通過(guò)三個(gè)關(guān)鍵的位點(diǎn)與核糖體50S亞基結(jié)合。通過(guò)對(duì)OLA1基因進(jìn)行敲除測(cè)序結(jié)果的分析和生化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究人員證實(shí)了OLA1/YchF對(duì)D/E富集mRNA翻譯有促進(jìn)作用，且調(diào)控的這些基因主要是核糖體以及翻譯相關(guān)的基因，通過(guò)調(diào)控這些蛋白mRNA的水平，進(jìn)而調(diào)節(jié)細(xì)胞對(duì)壓力環(huán)境的響應(yīng)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(chǔ)。

5. 神經(jīng)退行性疾病相關(guān)蛋白結(jié)構(gòu)

• 阿爾茨海默病 tau 蛋白的聚集體結(jié)構(gòu)

英國(guó)利茲大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)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(jié)構(gòu)，稱為纖維絲，以及其他結(jié)構(gòu)。而在Tau蛋白中，研究發(fā)現(xiàn)了直線排列的細(xì)絲簇，盡管這些細(xì)絲的排列方式似乎因蛋白質(zhì)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(xì)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(wú)法確定這些發(fā)現(xiàn)的具體意義。但給科學(xué)家們揭示阿爾茨海默病的發(fā)展機(jī)制提供了方向。并且還能啟示科學(xué)家用于分析其他神經(jīng)退行性疾病的根本原因。

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