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生物大分子柔性組裝的冷凍電鏡重構(gòu)新方法獲揭示
作者：刁雯蕙   來源：中國科學報  
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近日，南方科技大學生命科學學院副教授沈慶濤課題組針對生物大分子組裝柔性的難題，基于冷凍電鏡單顆粒技術，開發(fā)了直接賦值顆粒歐拉角的重構(gòu)方法，解析了真核細胞中轉(zhuǎn)運必需的內(nèi)吞體分選復合物 (ESCRT-III)平面螺旋多聚體結(jié)構(gòu)。該研究成果發(fā)表在《美國國家科學院院刊》。
ESCRT是一類進化保守的生物大分子機器，廣泛存在于古菌、細菌和真核生物中，負責真核細胞中所有背離細胞質(zhì)方向的膜重塑過程，如細胞分裂、細胞核膜重塑、質(zhì)膜損傷修復和神經(jīng)元修剪等。ESCRT的功能紊亂會導致癌癥與神經(jīng)退行性疾病等的發(fā)生。
ESCRT分子機器由ALIX、ESCRT-I、ESCRT-II、ESCRT-III和Vps4五個亞復合物組成，其中，ESCRT-III負責膜重塑中最重要的膜形變和膜分裂過程。此前，沈慶濤團隊利用冷凍電鏡觀測到ESCRT-III的平面螺旋多聚體形式。然而，ESCRT-III平面螺旋多聚體具有直徑細、高度卷曲、嚴重優(yōu)勢取向等特點，給其三維結(jié)構(gòu)解析帶來巨大挑戰(zhàn)，嚴重制約了對ESCRT-III介導的膜重塑機制的理解。
基于中央截面定理，三維重構(gòu)的關鍵步驟在于計算每個顆粒精準的歐拉角。目前，歐拉角是通過顆粒與模板的匹配獲取的，極易陷入局部最優(yōu)值陷阱，造成重構(gòu)錯誤。
在該研究中，科研人員收集了擎轉(zhuǎn)后的樣品數(shù)據(jù)，開發(fā)了描繪ESCRT-III平面螺旋多聚體的圖形軟件，充分利用相鄰顆粒之間的幾何約束，通過數(shù)學計算求取顆粒初始歐拉角，開發(fā)了直接賦值顆粒歐拉角的重構(gòu)方法，成功解析了ESCRT-III不同構(gòu)象的三維結(jié)構(gòu)，勾勒出ESCRT-III在膜上的組裝形式和組裝機制。
該工作為研究ESCRT-III多聚體由平面螺旋向圓頂結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變提供了初始構(gòu)象，為研究ESCRT-III介導的膜重塑提供了新方向。該研究中所提出的重構(gòu)方法，有效規(guī)避了冷凍電鏡單顆粒重構(gòu)中的局部最優(yōu)解問題，也為解析脂質(zhì)體和細胞器等膜系統(tǒng)上受幾何限制、具有嚴重優(yōu)勢取向的大分子復合物的結(jié)構(gòu)提供了新的策略。
相關論文信息：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2319115121
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