生物物理所微生物所发表二型分子伴侣晶体和电镜结构成果

2010-10-14 14:32 来源: 中国科学院
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《结构》杂志封面

  10月13日,结构生物学著名期刊《结构》(Structure)以封面文章形式发表了中国科学院生物物理研究所孙飞研究组和微生物研究所董志扬研究组合作完成的关于二型分子伴侣开口状态的晶体与电镜结构最新研究成果。该文的三个共同第一作者霍艳武、胡仲军和张凯分别在蛋白质纯化晶体生长,电镜图像处理和晶体结构解析方面做出了重要贡献,微生物研究所的王丽则提供了样品的生化实验数据。

  分子伴侣素(Chaperonins)是一种ATP依赖的协助蛋白折叠的多亚基双环复合物,在此之前,关于二型分子伴侣素核酸结合功能态的结构以及功能循环各个环节中的构象变化的研究都不是很透彻,其中最为关键的因素就是没有此类分子开口状态的高分辨率结构。该研究将冷冻电镜三维重构和X射线晶体学有效地结合在一起,获得了第一个开口状态的二型分子伴侣3.7Å分辨率的结构,对人们认识此类分子的功能循环过程提供了非常关键的结构信息。

  该研究以来源于古菌Acidianus tengchongensis (AT) strain S5的二型分子伴侣素ATcpnβ为研究对象, 利用负染电镜三维重构的方法获得了rATcpnβ的14 Å分辨率的闭合构象,分析发现该构象与先前报道的闭口状态同源晶体结构的单个亚基符合得非常好;同时利用低温电镜三维重构方法,获得了ATcpnβ apo状态8.8 Å分辨率的三维结构及ATP结合但未水解状态的8.4 Å分辨率的三维结构,发现均呈现开口不对称构象,上环结构较下环结构闭合(但上环并不是完全闭合的状态),该构象与先前报道的同源晶体结构符合较差,特别是在顶端结构域。

  此外,研究人员经过大量努力,获得了ATcpnβ结合ADP的开口状态的3.7Å分辨率的晶体衍射数据,以低温电镜结构为模型,通过分子置换法解析了其晶体结构,获得了第一个具有9次对称性的完整二型分子伴侣开口状态的晶体结构,而此前只有8次对称性的闭口状态的原子分辨率晶体结构。分析发现,该晶体结构的单个亚基能够与rATcpnβ结合ATP(但未水解)的开口构象非常好地吻合。通过比较开口构象和闭合构象,较为准确地观察到二型分子伴侣在从ATP结合到ATP水解过程的精细构象变化——整个亚基作为刚体向内的翻转运动和顶端区相对于赤道结构域~30度的旋转。

  此前由于缺乏高分辨率的晶体结构,有些研究认为分子伴侣的腔体关闭仅仅与lid结构域的运动有关,另一些研究则认为是整个亚基向内的运动所致,该研究获得的高分辨率晶体结构解决了这些争议,提供了最为准确的构象变化过程。

  此外,该研究成果充分表明了将电镜三维重构与X射线晶体学结合在一起对于研究生物超分子复合体的结构、阐述生物问题的巨大优势,这也是结构生物学发展的一个重要趋势。此前,由于技术条件的限制,国内的结构生物学研究主要以X射线晶体学为主,电镜和晶体学结合的成功例子很少;现在,国内在电镜三维重构技术方面给以巨大投入,该研究无疑是在这种局势下的一个成功范例。