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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(guó)科學(xué)報(bào)  
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近日，南方科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院副教授沈慶濤課題組針對(duì)生物大分子組裝柔性的難題，基于冷凍電鏡單顆粒技術(shù)，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(xì)胞中轉(zhuǎn)運(yùn)必需的內(nèi)吞體分選復(fù)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(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》。
ESCRT是一類進(jìn)化保守的生物大分子機(jī)器，廣泛存在于古菌、細(xì)菌和真核生物中，負(fù)責(zé)真核細(xì)胞中所有背離細(xì)胞質(zhì)方向的膜重塑過程，如細(xì)胞分裂、細(xì)胞核膜重塑、質(zhì)膜損傷修復(fù)和神經(jīng)元修剪等。ESCRT的功能紊亂會(huì)導(dǎo)致癌癥與神經(jīng)退行性疾病等的發(fā)生。
ESCRT分子機(jī)器由ALIX、ESCRT-I、ESCRT-II、ESCRT-III和Vps4五個(gè)亞復(fù)合物組成，其中，ESCRT-III負(fù)責(zé)膜重塑中最重要的膜形變和膜分裂過程。此前，沈慶濤團(tuán)隊(duì)利用冷凍電鏡觀測(cè)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(xì)、高度卷曲、嚴(yán)重優(yōu)勢(shì)取向等特點(diǎn)，給其三維結(jié)構(gòu)解析帶來巨大挑戰(zhàn)，嚴(yán)重制約了對(duì)ESCRT-III介導(dǎo)的膜重塑機(jī)制的理解。
基于中央截面定理，三維重構(gòu)的關(guān)鍵步驟在于計(jì)算每個(gè)顆粒精準(zhǔn)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(cuò)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(xué)計(jì)算求取顆粒初始?xì)W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(jī)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(dǎo)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(xì)胞器等膜系統(tǒng)上受幾何限制、具有嚴(yán)重優(yōu)勢(shì)取向的大分子復(fù)合物的結(jié)構(gòu)提供了新的策略。
相關(guān)論文信息：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2319115121
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