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科学家以近原子分辨率绘制关键DNA蛋白复合物

2018-12-21 11:18:49 • 来源：

能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的研究人员获得了能够激发结构生物学领域的新成像技术的又一次成功，获得了最高分辨率的地图，其中包含对DNA有重要意义的大量人类蛋白质组合功能。9月13日在“ 自然 ”杂志的高级在线出版物上报道他们的成就的科学家使用低温电子显微镜(cryo-EM)解决了一种叫做转录因子IIH(TFIIH)的蛋白质复合物的三维结构。4.4埃或近原子分辨率。该蛋白质复合物用于解开DNA双螺旋，以便在转录或修复期间可以访问和读取基因。“当TFIIH出错时，DNA修复不会发生，并且这种故障与严重的癌症倾向，过早衰老和其他各种缺陷有关，”伯克利实验室分子生物物理与综合研究所的主要研究人员Eva Nogales说。生物成像部门“利用这种结构，我们现在可以开始在上下文中放置突变，以更好地理解它们为什么会在细胞中引起不良行为。”

科学家以近原子分辨率绘制关键DNA蛋白复合物

TFIIH在DNA功能中的关键作用使其成为研究的主要目标，但它被认为是一种难以研究的蛋白质复合物，特别是在人类中。绘制复杂蛋白质所需的先进技术“随着生物体变得越来越复杂，这些蛋白质也越来越复杂，在许多不同的水平上都需要额外的调节功能，”Nogales说，他也是加州大学伯克利分校和细胞生物学教授，也是霍华德休斯医学研究所的研究员。 。“我们从人体细胞中解析出这种蛋白质结构的事实使得它与疾病研究更加相关。没有必要根据它在其他生物体中的作用来推断蛋白质的功能。”

像蛋白质这样的生物分子通常使用X射线晶体学成像，但该方法需要大量稳定的样品才能使结晶过程起作用。TFIIH的挑战在于难以以足够大的量生产和纯化，并且一旦获得，它可能不会形成适合于X射线衍射的晶体。

输入cryo-EM，即使样本量非常小也可以使用。电子通过在超级温度下快速冷冻的纯化样品送出，以防止结晶冰形成。

Cryo-EM已经存在了几十年，但过去五年的重大进展已经导致这种技术可以实现的高分辨率图像质量的巨大飞跃。“当你的目标是将分辨率降低到几埃时，问题在于任何运动都会被放大，”研究的主要作者，加州大学伯克利分校博士后研究员，加州定量生物科学研究所(QB3)博士后研究员说。“在高放大率下，当电子移动时，试样的轻微移动会导致图像模糊。”

从单张照片到电影

研究人员将低温EM的爆炸性增长归功于伯克利实验室工程师Peter Denes帮助开发的先进探测器技术。直接探测器相机不是为每个样本拍摄单张照片，而是在类似于录制电影的过程中拍摄多个帧。然后将这些帧放在一起以创建高分辨率图像。这种方法可以解决样本移动造成的模糊。改进的图像包含更高质量的数据，并且它们允许研究人员在多个状态下研究样本，因为它们存在于细胞中。

由于拍摄电影所产生的数据远远超过单帧，并且在显微镜检查期间收集了数千部电影，研究人员需要在伯克利实验室的国家能源研究科学计算中心(NERSC)处理超级计算机的处理工作。这些计算的输出是一个需要进一步解释的三维地图。“当我们开始数据处理时，我们有150万个单个分子的图像可以进行分类，”格雷伯说。“我们需要选择代表完整复合体的颗粒。在NERSC处理300,000小时后，我们最终得到了120,000张用于计算蛋白质三维图谱的单个粒子图像。”

为了获得基于这个三维图的蛋白质复合物的原子模型，研究人员使用了PHENIX(基于Python的分层环境用于集成Xtallography)，这是一个软件程序，其开发由伯克利实验室分子生物物理学主任Paul Adams领导。综合生物成像部门和本研究的共同作者。

这种结构不仅有助于对DNA修复的基本理解，而且可用于帮助可视化特定分子在药物开发中如何与靶蛋白结合。“在研究这些生物分子的物理和化学时，我们经常能够确定它们的作用，但是它们是如何做到的还不清楚，”诺加莱斯说。“这项工作是结构生物学家所做工作的一个典型例子。我们建立了理解分子如何运作的框架。通过这些信息，研究人员可以开发出具有更强预测能力的精细靶向疗法。”

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