2016年08月24日訊 結(jié)構(gòu)生物學(xué)家一直希望能可視化大分子結(jié)構(gòu)
,從而探索其功能Nogales和Jennifer Doudna--是的
,就是大名鼎鼎的CRISPR-Cas9發(fā)明人--最近在合作的一個項(xiàng)目就是在探索這樣的問題。很多情況下,在DNA被CRISPR-Cas9剪切前,細(xì)胞內(nèi)會形成一個由核苷酸構(gòu)成的R環(huán),Doudna和Nogales都對這個R環(huán)非常感興趣。Nogales等人對化膿性鏈球菌(Streptococcus pyogenes)中的R環(huán)進(jìn)行了成像,得到了近原子分辨率的結(jié)構(gòu)圖像,提示了在特定位點(diǎn)Cas9酶如何打開DNA這項(xiàng)工作最突出的兩個亮點(diǎn)是:1
現(xiàn)在
經(jīng)驗(yàn)證明
這種方法得到了諸多研究者的支持。加利福尼亞斯坦福大學(xué)(Stanford University)的結(jié)構(gòu)生物學(xué)家Roger Kornberg指出
Kornberg繼續(xù)分析RNA聚合酶II,但現(xiàn)在他把冷凍電鏡和晶體學(xué)結(jié)合起來
Nogales和Doudna的團(tuán)隊(duì)也使用混合方法來研究R環(huán)
這種混合或綜合性方法有助于研究人員深入研究基礎(chǔ)科學(xué)問題
Noglaes總結(jié)到:這是混合方法的黃金時代。
夢想成真
歐洲分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室(European Molecular Biology Laboratory
結(jié)構(gòu)生物學(xué)家工具箱中的每一種技術(shù)都提供了不同的視角。生物學(xué)家相信
X射線晶體長期以來一直是確定蛋白質(zhì)原子結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)方法。成立于1971年的蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)銀行(Protein Data Bank
但X射線晶體雖然分辨率高
德國復(fù)雜系統(tǒng)研究所(Institute of Complex Systems)計(jì)算結(jié)構(gòu)生物學(xué)小組組長Gunnar Schr
許多蛋白質(zhì)
生物學(xué)家現(xiàn)在正在利用一系列的工具來建立更豐富、更精確的生物結(jié)構(gòu)模型
冷凍電鏡生產(chǎn)商FEI公司的首席科學(xué)家Jeffrey Lengyel表示,冷凍電鏡讓人激動的一點(diǎn)是
研究人員還可利用冷凍電鏡圖像,分析分子的運(yùn)動
一點(diǎn)點(diǎn)進(jìn)步
Nogales等人使用的混合策略達(dá)到了10埃的整體分辨率,相比于以往分析TFIID的30埃分辨率是非常大的進(jìn)步
。分辨率的提高意味著科學(xué)家們能探索更多的問題:正如Nogales所說,“我們可以看到氨基酸與DNA相互作用?div id="4qifd00" class="flower right">但冷凍電鏡要求標(biāo)本被冰凍
。這是不理想的生物樣品,因?yàn)槔鋬龅臉颖具h(yuǎn)遠(yuǎn)脫離了自身動態(tài)、天然的狀態(tài)。核磁共振光譜(NMR)可以幫忙解決這個問題。Schr?der表示,核磁共振有一個很大的優(yōu)勢--可以得到蛋白在正常狀態(tài)下的動態(tài)信息。他的實(shí)驗(yàn)室通過整合NMR、冷凍電鏡和晶體學(xué)數(shù)據(jù),得到分子模型。NMR于20世紀(jì)40年代被首次應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)中
。研究人員通過在外加磁場中激發(fā)原子得到大分子結(jié)構(gòu)。當(dāng)原子回到靜息狀態(tài)時,它們內(nèi)部磁場的變化可以被檢測到,從而反映出分子的原子結(jié)構(gòu)。然而,核磁共振光譜只適用于相對較小的大分子或復(fù)合體。結(jié)構(gòu)生物學(xué)家也使用混合方法來解析超大復(fù)合體--這是過去無法完成的任務(wù)
。Kornberg最新的成果(尚未發(fā)表)進(jìn)一步拓展了他對RNA聚合酶II的研究,并使用混合方法描述了一個由50多個蛋白質(zhì)和轉(zhuǎn)錄因子組成的巨大復(fù)合體。他表示,通過多個方法的結(jié)合,他們首次看到了整個復(fù)合體另一個超大型的目標(biāo)是核孔復(fù)合體。這個膜蛋白復(fù)合體負(fù)責(zé)控制細(xì)胞核信息和分子的通過
Ellenberg的團(tuán)隊(duì)第一次利用超高分辨率熒光顯微鏡對核孔復(fù)合體進(jìn)行了成像
。他指出,超分辨率熒光顯微鏡的分辨率可以達(dá)到30納米。為了提高分辨率,他們使用了一種名為單粒子平均的圖像處理技術(shù),把分辨率提升到了10埃。冷凍電鏡的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了他們的結(jié)果。他們得到了核孔復(fù)合體的結(jié)構(gòu)圖像。Nogales評價說,這樣的模型在以前是無法想象的。同樣
,多倫多大學(xué)(University of Toronto)的Rubinstein和Lewis Kay使用了混合方法打破了一些不可能。通過冷凍電鏡和核磁共振光譜的結(jié)合,他們解析了VAT酶(一種在降解蛋白中發(fā)揮重要作用的酶)的構(gòu)象變化。他們通過借助冷凍電鏡解釋結(jié)構(gòu),以及核磁共振揭示動態(tài)變化,二者結(jié)合,完美展示了VAT酶工作時的情景。仍有缺點(diǎn)
雖然混合方法能帶來更多的信息
,但混合也會造成錯誤的疊加。因此,混合方法一個潛在的問題是,多個錯誤來源造成的誤差增加。正如Meiler所說,結(jié)構(gòu)生物學(xué)家關(guān)注的一個核心問題是,如何在整合方法的同時,減小誤差,保證得到的模型具有準(zhǔn)確性、精度和可靠性。另一個障礙是多類數(shù)據(jù)集的共享和利用
。任何一個技術(shù)都能得到豐富的信息Lengyel表示
為了探討數(shù)據(jù)組織
Schroder表示
,目前,PDB存儲單個蛋白結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)。他認(rèn)為,PDB應(yīng)該增加蛋白各個構(gòu)象的數(shù)據(jù)。細(xì)節(jié)越豐富,越有助于全面解析蛋白和大分子功能。學(xué)界已經(jīng)做出了一些努力:目前已建立二維電子顯微鏡模型的檔案庫(Electron Microscopy Pilot Image Archive)和三維(EMDataBank)
。這些檔案庫由EMBL等機(jī)構(gòu)提供資金,其中包含的數(shù)據(jù)可以共享、歸檔和分發(fā)。另一個可能阻礙該領(lǐng)域的威脅是專業(yè)知識。Meiler指出
,技術(shù)需要投資,但投資在教育科學(xué)家上也非常重要。他建議最后
抽象的價值
——數(shù)學(xué)與當(dāng)代生命科學(xué)
吳家睿
20世紀(jì)中期,隨著蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的解析和DNA雙螺旋的發(fā)現(xiàn)
1925年摩爾根“基因論”的發(fā)表,確立了基因是遺傳的基本單位
,它存在于細(xì)胞的染色體上,決定著生物體的性狀。但關(guān)于基因的化學(xué)本質(zhì)是什么,它通過什么方式影響生物體的遺傳性狀,仍然不清楚。揭示基因的本質(zhì)及其作用方式就成了當(dāng)時生物學(xué)研究的核心問題。對這個問題的研究