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多机构合作揭示了分子机器是如何组装的

2019-01-10 17:27:28 • 来源：

核糖体是由RNA和蛋白质组成的大分子机器，它们可以扭曲、折叠和旋转，负责制造细胞内的所有蛋白质，可能是破解一系列疾病的关键。尽管核糖体错综复杂，细胞每小时仍能产生10万个核糖体。但由于它们的聚集速度如此之快，研究人员一直无法弄清楚它们是如何聚集在一起的。

多机构合作揭示了分子机器是如何组装的

协作由索尔克生物研究所和拉霍亚的斯克里普斯研究所,加州,部署一个尖端的成像方法称为单粒子低温电子显微镜(低温电子显微镜)和相应的分析工具来解释一些核糖体是如何组装的关键步骤,第一步在理解他们的角色在健康和疾病。研究结果于2016年12月1日在线发表在《细胞》杂志上。

“我们用cryo-EM捕捉到的这些新结构表明，我们有可能对不同的分子机器进行成像和解释，”该研究的联合高级作者、索尔克研究所亥姆斯利-索尔克研究员德米特里·吕姆基斯(Dmitry Lyumkis)说。这是一种完全不同的观察和研究结构生物学的方式。这篇论文是一个很好的例子，说明我们可以做比以往任何时候都要复杂得多的分析。

了解分子结构不仅对生物学的基础研究很重要，而且对更好地理解如何制造更安全、更有效的药物的药物开发过程也很重要。研究人员传统上采用x射线晶体学，这种方法要求使用者对一个分子进行广泛的提纯，然后将其重新制成晶体，但这种方法有局限性。

在过去的几年里，低温电子显微镜的进步使得科学家们能够用与传统x射线方法相媲美的分辨率对单个粒子进行成像。但在单粒子低温电子显微镜中，蛋白质(“粒子”)是瞬间冷冻的，并通过电子流成像，这意味着分子不需要结晶，可以保留大部分原有结构。尽管低温电子显微镜已经存在了一段时间，但是新的摄像机使得在电子喷雾轰击蛋白质之前更容易捕捉到高分辨率的蛋白质。

重要的是，用于分析低温电子显微镜数据的计算工具已经成熟，研究人员现在可以用计算机净化硅分子，而不是通过传统的生化方法。这成为一种分离物种混合物的更有效的方法，使研究人员能够比以前更详细地识别和区分结构上不同的粒子群。

在这项新研究中，斯克里普斯研究所的分子生物学和化学教授詹姆斯·威廉姆森(James Williamson)和他的团队开发了一种方法，阻止核糖体的一个主要成分，即50年代的亚基，如此迅速地聚合在一起。科学家们能够用化学方法暂停不同分子在不同组装阶段的混合物。

Lyumkis的团队随后使用高端的低温电子显微镜对这些失速的结构进行成像和分析，这些失速的结构从来没有被尝试过将一种特殊结构的多种形式混合在一起

“其他人已经证明你可以捕捉到分子的一些不同的结构状态，”Lyumkis说。“但据我所知，还没有人尝试过把这种粗糙的混合物放到低温电子显微镜上，然后问里面有什么。”

研究小组发现，这种混合物中至少有15种复合物，其中13种正在积极地组装50个亚基。他们以足够高的分辨率对这些结构进行成像，以破译蛋白质和RNA成分。然后，他们能够使用计算机算法根据他们的装配路径对复合物进行排序。

威廉姆森说，研究小组的分析表明，核糖体可以采取多种不同的装配路线，这对于确保装配过程的效率和能够承受各种细胞压力非常重要。他表示:“如果你想象一条装配线，每一步都必须按顺序进行，而其中一个步骤出了问题，那么一切都会停止。”如果有平行的通道，那么组装可以通过其他通道进行，直到问题解决。

科学家们花了一年多的时间才弄明白这些结构，并使用了相对较新的图像分析工具。但是他们已经为研究其他大型的、动态的、结构上不均匀的分子机器奠定了基础。Lyumkis说，这些机器将带来新的基础科学和转化发现。

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