生物谷7月份结构生物学研究进展一览
1. Cell：中科院生物物理所王艳丽/章新政课题组从结构上揭示Cas13a切割RNA机制
doi:10.1016/j.cell.2017.06.050
CRISPR/Cas系统是目前发现存在于大多数细菌与所有的古菌中的一种免疫系统，被用来识别和摧毁抗噬菌体和其他病原体入侵的防御系统。在CRISPR/Cas系统中，CRISPR是规律间隔性成簇短回文重复序列（clustered regularly interspaced short palindromic repeats）的简称，涉及细菌基因组中的独特DNA区域，也是储存病毒DNA片段从而允许细胞能够识别任何试图再次感染它的病毒的地方，CRISPR经转录产生的RNA序列（被称作crRNA）识别入侵性病毒的遗传物质。Cas是CRISPR相关蛋白（CRISPR-associated proteins, Cas）的简称，Cas蛋白像一把分子剪刀那样切割细菌基因组上的靶DNA。
目前已在细菌中发现三类CRISPR/Cas系统，I型和III型系统需要众多蛋白的参与。II型系统就简单得多了，一个Cas9核酸酶利用向导RNA（gRNA）就可以完成识别和切割靶双链DNA，因此II型系统也被称作CRISPR/Cas9系统。 自从2012年以来，CRISPR-Cas9基因编辑技术便已引发基因工程变革。CRISPR/Cas9被《科学》杂志列为2013年年度十大科技进展之一，受到人们的高度重视。但是CRISPR-Cas9系统也有它的不足之处，即脱靶效应。
2016年6月，布罗德研究所成员Feng Zhang和他的同事们首次描述了一种靶向RNA的CRISPR相关酶（之前被称作C2c2，如今被称作Cas13a），而且能够经编程后切割细菌细胞中的特定RNA序列（Science, doi:10.1126/science.aaf5573）。不同于靶向DNA的CRISPR相关酶（如Cas9和Cpf1），Cas13a能够在切割它的靶RNA之后保持活性，而且可能表现出不加区别的切割活性，而且在一种被称作"附带切割（collateral cleavage）"的过程 当中，继续切割其他的非靶RNA。
作为一种VI-A型CRISPR-Cas系统的一种RN引导的RNA核酸酶，Cas13a降解crRNA靶向的入侵性RNA，在RNA技术中具有广泛的潜在应用。
如今，在一项新的研究中，为了理解Cas13a如何被激活和切割靶RNA，中科院生物物理所中国科学院核酸生物学重点实验室创新课题组组长王艳丽（Yanli Wang）课题组和中科院生物物理所生物大分子国家重点实验室创新课 题组组长章新政（Xinzheng Zhang）课题组解析出来自口腔纤毛菌（Leptotrichia buccalis）的Cas13a（以下称LbuCas13a）结合到crRNA和它的靶RNA上时的晶体结构，以及LbuCas13a-crRNA复合物的冷冻电镜结构。他们证实 crRNA-靶RNA双链结合到LbuCas13a中的核酸酶叶（nuclease lobe, NUC）的一种带正电荷的中心通道内，而且一旦结合靶RNA，LbuCas13a和crRNA经历显著的构象变化。这种crRNA-靶RNA双链形成促进LbuCas13a的HEPN1结 构域移向HEPN2结构域，从而激活LbuCas13a的HEPN催化位点，随后LbuCas13a就以一种非特异性的方式切割单链靶RNA和其他的RNA。
这些发现揭示出VI型CRISPR-Cas系统的Cas13a抵抗RNA噬菌体的作用机制，这就为将它作为一种RNA操纵工具加以应用铺平道路，如将它的RNA切割和附带切割活性用于基础研究、诊断和治疗。
在2016年9月发表在Nature期刊上的一篇论文中，美国加州大学伯克利分校的Jennifer Doudna、Alexandra East-Seletsky和他们的同事们利用Cas13a的这种附带切割活性检测RNA（Nature, doi:10.1038/nature19802）。不过，这种方法需要存在几百万个RNA分子，因而缺乏很多研究和临床应用所需的灵敏度。
2017年4月，布罗德研究所Feng Zhang和他的同事们首次利用Cas13a的这种附带切割活性切割RNA报告分子产生的荧光信号检测样品中的任何一种RNA分子的存在（Science, 13 Apr 2017, doi:10.1126/science.aam9321）。 这些研究都表明VI型CRISPR-Cas系统具有广泛的应用潜力，有朝一日可能被用来应对病毒性和细菌性流行病爆发、监控抗生素耐药性和检测癌症。
2. Nature：首次解析出AMPA亚型谷氨酸受体发挥作用时的三维结构
doi:10.1038/nature23479
在一项新的研究中，来自美国哥伦比亚大学的研究人员首次捕获到AMPA亚型谷氨酸受体（AMPA-subtype glutamate receptor, 以下简称AMPA受体）在发挥作用时的三维结构图。这种调节着大脑中的大多数电信号的受体参与几种重要的大脑活动，包括记忆和学习。相关研究结果于2017年7月24日在线发表在Nature期刊上，论文标题为"Channel opening and gating mechanism in AMPA-subtype glutamate receptors"。
论文通信作者、哥伦比亚大学生物化学与分子生物物理学副教授Alexander Sobolevsky博士说，"根据我们的新发现，我们如今能够首次可视化观察神经递质谷氨酸如何打开谷氨酸受体离子通道。这是一种直接影响着学习和记忆的基本过程，而且从上世纪九十年代以来，发现它的结构决定因子（structural determinant）一直是分子神经科学的主要目标。"
大脑中的大多数信号转导是由谷氨酸触发的。谷氨酸是一种激活神经元表面上的被称作谷氨酸受体的蛋白的神经递质。谷氨酸受体是许多高级认知功能（包括学习和记忆）的基础。作为一种谷氨酸受体，AMPA受体非常快速地（不到一毫秒的时间）打开和关闭，从而参与大脑中的快速过程，比如有机体对它的周围环境快速地感知和作出反应。
在此之前，Sobolevsky实验室已解析出AMPA受体独自时以及与调节突触连接的速度和强度的其他蛋白结合在一起时的结构。在当前的这项研究中，这些研究人员捕捉到AMPA受体在发挥作用时（即谷氨酸激活这种受体，鉴于该受体本身就是一种离子通道，这种激活允许离子流过它的通道，从而启动大脑中的信号转导）的结构图。这首次为受体如何介导大脑功能提供深刻的见解。
为了将AMPA受体在活性状态下冻存，这些研究人员将它与蛋白stargazin（一种促进这种离子通道打开的调节蛋白）融合在一起。他们捕捉到的这些结构图表明当谷氨酸等信号分子存在时，AMPA受体的入口像相机的光圈那样打开，从而露出它的孔。为了引导离子通过，这种受体拓宽它的通道直径，而且一种特殊的通道孔衬边（pore lining）将这些离子领进细胞。
论文第一作者、哥伦比亚大学医学中心博士生Edward C. Twomey说，"这些新的基础发现为我们理解谷氨酸（我们的大脑中的主要神经递质）神经传递产生影响。理解这些过程将影响未来对神经退行性疾病中的谷氨酸受体信号的研究和药物设计。"
为了研究AMPA受体，Sobolevksy团队采用了冷冻电子显微技术，该技术先捕获一个分子的一系列二维图片，然后将它们组合成三维结构图。这种技术是由论文共同作者、哥伦比亚大学医学中心生物化学与分子生物物理学教授、生物科学教授Joachim Frank博士开创的。
谷氨酸受体上或它们介导的过程中的缺陷与阿尔茨海默病、帕金森病、亨廷顿氏舞蹈病、多发性硬化症和青光眼等神经退行性疾病；焦虑、抑郁、精神分裂症和药物滥用疾病等精神疾病以及大脑创伤和中风等急性疾病相关联。一种活性的AMPA受体的新结构以及对这种激活机制的理解为开发治疗与谷氨酸受体功能障碍相关的神经疾病的药物构建一种稳固的平台。
3. Nature：揭示核糖体通过结构上的精确优化制造自我机制
doi:10.1038/nature22998
在一项新的研究中，来自美国哈佛医学院和瑞典乌普萨拉大学的研究人员利用数学方法证实核糖体在结构上的精确优化尽可能快地产生更多的核糖体，以便促进细胞高效地生长和分裂。核糖体是细胞的蛋白制造工厂。相关研究结果于2017年7月19日在线发表在Nature期刊上，论文标题为"Ribosomes are optimized for autocatalytic production"。
这项研究的理论预测准确地反映了观察到的核糖体大尺寸特征（large-scale feature），并且为一种出色的分子机器进化提供新的视角。
论文通信作者、哈佛医学院系统生物学教授Johan Paulsson说，"核糖体是所有生命中最为重要的分子复合体之一，而且几十年来，它已在不同的学科中得到研究。我们吃惊地观察到我们似乎能够解释它的更加细致的细节，但是核糖体具有的这些奇特的特征经常未被解释，或者即便能够解释，但也是以一种令人不满意的方式。"
细胞中的很多结构（如细胞壁、溶酶体、核糖体、线粒体等）是由蛋白组成的和由蛋白制造出来的。这些蛋白是由核糖体制造出的。
神秘的特征
尽管科学家们已在原子分辨率上揭示出核糖体如何将遗传物质转化为蛋白，以及核糖体需要在准确性、速度和控制上加以精确调整，但是并不清楚的是，它的几种大尺寸特征具有哪些优势。
依赖于有机体类型，核糖体由非常多数量的不同结构蛋白（55～80种）和两到三个RNA链组成。这些结构蛋白不仅比期待中的更多，而且它们通常较短，具有统一的长度。这些RNA在大小上差异极大，占核糖体总质量的高达70%。
Paulsson说，"若不理解核糖体总体特征为何存在，这有点像是观察森林和理解叶绿体和光合作用如何工作，却不能够解释为何存在树而不存在草。"
因此，Paulsson和他的合作们Shlomi Reuveni（哈佛医学院的一名博士后胡研究员）、乌普萨拉大学的M?ns Ehrenberg决定以一种不同的角度研究核糖体。
整体角度
当一个细胞在发生分裂时，它必须具有两套完整的核糖体来制造子细胞需要的所有蛋白。因此，核糖体能够制造自我的速度就严格限制了细胞分裂如何快速地发生。Paulsson和他的同事们构建出理论上的数学模型来解释如果速度是促进核糖体进化的主要选择性压力，那么它的特征看起来应当像什么。
Paulsson团队计算出在很多核糖体中，分配制造一个新的核糖体的任务能够将制造速度增加30%，这是因为一旦被制造出来，每个新的核糖体协助制造更多的核糖体，从而加快这种过程。
对需要快速分裂的细胞（如细菌）而言，这代表着一种巨大的优势。然而，根据这些数学模型，这种蛋白制造过程需要时间来启动，而且这种间接成本限制了组成核糖体的蛋白数量。
Paulsson团队构建出的数学模型预测，为了保持最大的自我制造效率，一个核糖体应当由40～80个蛋白组成。每个这样的蛋白应当比细胞蛋白平均小3倍，而且它们应当在大小上都是相类似的。
结果证实Paulsson团队的理论虽然是完全不依赖于实验室开发出来的，但是准确地反映了观察到的核糖体的蛋白组成。
理论和现实
Paulsson和他的同事们也研究了核糖体RNA（rRNA），rRNA作为核糖体的一种结构组分发挥作用，执行着核糖体将氨基酸连接在一起形成蛋白的酶活性。
他们的分析表明核糖体由更多的RNA组成，它就能够被更快地制造出来。这是因为相比于制造蛋白，细胞能够更快地制造rRNA。因此，尽管RNA酶被认为不如蛋白酶那么高效，但是核糖体有大量的压力来尽可能多地使用RNA以便使得能够让制造更多核糖体的速度最大化。
Paulsson说，"在核糖体能够侥幸使用RNA的任何地方，就应当使用，这是因为自我制造速度实际上能够增加2～3倍。即便就酶功能而言，RNA不如蛋白，但是如果细胞试图尽可能快地产生核糖体，使用RNA仍然有巨大的优势。"
根据Paulsson团队的说法，预计这种观察结果主要适用于能够自我制造的核糖体。细胞中的很多其他结构并不自我制造，而且能够为了使用蛋白（而不是RNA）提供的稳定性和效率牺牲制造速度。
归纳在一起，Paulsson团队的理论准确地预测核糖体的大尺度特征。它解释了为何生长最为快速的有机体（如细菌）具有最短的核糖体蛋白和最高数量的rRNA。相反的是，作为真核细胞的能量工厂，线粒体一度被认为是进入一种永久性共生状态的细菌。线粒体有它们自己的不会自我制造的核糖体。相比细胞中的核糖体，线粒体中的核糖体因缺乏这种压力，确实由更大的蛋白和更少的RNA组成。
4. Science：从结构上揭示CRISPR/Cas系统的Cas1-Cas2整合酶发现靶DNA机制
doi:10.1126/science.aao0679
CRISPR/Cas系统是在很多细菌中发现的一种免疫系统。在细菌中，这种系统依赖Cas1-Cas2整合酶捕获和整合短的外源DNA片段到它们的基因组中的CRISPR位点上，从而能够抵抗相同病毒的再次入侵。
在一项新的研究中，来自美国加州大学伯克利分校的研究人员发现Cas1-Cas2如何找出它们将病毒DNA片段插入到细菌基因组中的这个位点，这样Cas1-Cas2随后就能够识别这种病毒DNA片段和发起攻击。相关研究结果于2017年7月20日在线发表在Science期刊上，论文标题为"Structures of the CRISPR genome integration complex"。
Cas1-Cas2依赖于CRISPR序列的独特灵活性来识别它为病毒DNA片段应当被插入的位点，从而确保对之前的病毒感染的"记忆"正确地被储存起来。
在这项研究中，论文通信作者Jennifer Doudna和她的研究团队利用电子显微技术和X射线晶体分析技术捕获到Cas1-Cas2将病毒DNA片段插入到细菌基因组的CRISPR区域中时的结构图。
这些结构图揭示出第三种蛋白IHF（在Cas1-Cas2整合酶中，Cas1是第一种蛋白，Cas2是第二种蛋白）结合到这个插入位点的附近，让靶DNA弯曲成一种U形结构，从而允许Cas1-Cas2同时结合到靶DNA的两个末端上。论文第一作者Addison Wright（研究生）、Jun-Jie Liu（博士后研究员）与论文共同作者Gavin Knott、Kevin Doxzen和Eva Nogales一起发现这种反应要求靶DNA弯曲和部分解链，而且这种情形仅在适当的靶DNA上发生。
在CRISPR/Cas系统中，CRISPR是规律间隔性成簇短回文重复序列（clustered regularly interspaced short palindromic repeats）的简称，涉及细菌基因组中的独特DNA区域，也是储存病毒DNA片段从而允许细胞能够识别任何试图再次感染它的病毒的地方。Cas是CRISPR相关蛋白（CRISPR-associated proteins, Cas）的简称，Cas蛋白像一把分子剪刀那样切割细菌基因组上的靶DNA。这些短回文重复序列发挥着识别信号的作用，引导Cas1-Cas2添加新的病毒DNA片段，从而让这些病毒DNA片段在这些"短回文重复序列"中间隔排列。
Wright 说，Cas1-Cas2对这些短回文重复序列的特异性识别使得病毒DNA片段的整合仅局限在这种CRISPR阵列上，从而允许它对病毒产生免疫力，并且避免将病毒DNA片段插入到错误的位点而产生潜在的致命影响。
尽管很多DNA结合蛋白直接"读取"它们的识别序列上的核苷酸，但是Cas1-Cas2通过更加间接的方式识别这些短回文重复序列：它们的形状和灵活性。除了编码蛋白之外，一段DNA的核苷酸序列也确定着它的物理性质：一些序列起着柔性铰链的作用，而其他的序列形成刚性的杆状结构。这些短回文重复序列的核苷酸序列允许它们仅以正确的方式弯曲，从而允许Cas1-Cas2根据形状识别它们的靶标。
美国哈佛大学George Church实验室之前开展的一项研究已证实Cas1-Cas2的信息储存能力能够被改用为记录一部视频的帧而不是病毒序列，而且也可能被用来记录其他类型的信息（Nature, doi: doi:10.1038/nature23017，详情参见新闻报道：重磅！利用CRISPR-Cas系统将数字视频存储到一群细菌的基因组中http://news.bioon.com/article/6706607.html）。
发现Cas1-Cas2如何识别它们的靶标为修饰这些蛋白打开大门。通过调整这些蛋白，科学家们可能能够将它们重定向到CRISPR短回文重复序列之外的序列上，从而将它们的应用到扩展到没有CRISPR位点的有机体中。
5. Nature：首次解析出机械敏感性受体NOMPC的三维结构
doi:10.1038/nature22981
就感觉而言，没有什么比我们的触觉那样直接而又具体。因此，可能令人吃惊的是，在分子水平上，我们的触觉仍然在很大程度上是未知的。
我们的每种感觉依赖于将光线、声音和移动等信号转化为传送到大脑中的电脉冲的"受体"分子。科学家们对眼睛中的受体如何将光线转化为视力获得相当完整的认识，而且他们已绘制出鼻子和口腔中很多将化学信号转化为嗅觉和味觉的蛋白的结构图。
但是仍然神秘的是"机械敏感性受体（mechanoreceptors）"。这些机械敏感性受体感知细胞的移动从而产生我们的触觉和听觉，甚至获知我们的身体所在的位置和血流在静脉中的流动。
如今，在一项新的研究中，来自美国加州大学旧金山分校的研究人员非常详细地绘制一种被称作NOMPC的蛋白复合体的结构。NOMPC在果蝇、鱼和青蛙等动物中作为机械敏感性受体发挥作用。这种结构揭示出这种蛋白复合体依赖于四个微小的被称作锚蛋白重复序列区（ankyrin repeat domain）的分子弹簧（molecular spring）将它拴在细胞骨架上，并且对这种细胞骨架的移动作出反应。细胞骨架是允许细胞保持它的形状的结构纤维网络。相关研究结果发表在2017年7月6日的Nature期刊上，论文标题为"Electron cryo-microscopy structure of the mechanotransduction channel NOMPC"。
尽管NOMPC并没有在人类等哺乳动物中发现到，但是这种新的结构让科学家们更好地理解可能允许我们自己的感觉细胞感知触觉的微妙机制。
特别地，负责感知人听觉的离子通道通过察觉空气中的细微振动发挥作用，迄今为止一直未能开展详细研究。正如一些科学家们猜测的那样，如果一种结合到细胞膜上的受体负责感知我们的听觉，那么它很可能像NOMPC那样发挥作用。
能够详细地绘制出NOMPC的结构，这要得益于一种被称作单颗粒冷冻电镜技术（Single-particle cryo-electron microscopy）的技术近期取得的技术突破。加州大学旧金山分校生物化学与生物物理学教授David Agard博士和Yifan Cheng博士在显著改进这种技术的分辨率和它对位于细胞膜中的NOMPC等蛋白进行成像的能力上作出重大贡献。
利用这种技术，这些研究人员揭示出NOMPC受体是位于细胞膜中的4个相同的蛋白成束组成的，每个蛋白具有一个伸入到细胞中的分子弹簧。
加州大学旧金山分校生理学教授YuhNung Jan博士实验室长期以来就对NOMPC受体的功能感兴趣。Jan实验室之前的实验结果已表明这种受体并不对细胞膜的独自移动作出反应，但会对细胞骨架中发生较大的移动作出反应，从而导致NOMPC打开，在细胞膜中形成一个孔。带电粒子快速地穿过这个孔进入细胞中，从而产生电脉冲，将触觉信号传递到神经系统。
之前绘制的触觉受体在细胞膜中自由地浮动，仅当细胞表面上的特定区域改变形状时才作出反应。但是这些新的结构数据展示了NOMPC的分子弹簧如何可能将它栓到细胞骨架上，从而潜在地能够让这种受体感知细胞形状在远处发生的变化。
Jan实验室博士后研究员Peng Jin博士说，"这是首个进行过如此详细建模的结合到细胞膜上的受体。我们吃惊地观察到自然构建出它自己的微小的分子弹簧将这种受体栓到细胞骨架上。"
6. Nature：首次捕捉到HIV包膜蛋白过渡状态的结构图
doi:10.1038/nature23010
在全世界，人免疫缺陷病毒（HV）当前感染着大约3700万人。HIV具有一种关键的被称作包膜蛋白（Env）三聚体的蛋白复合物。开发一种能够阻断而不仅是控制HIV感染的疫苗在很大程度上受到Env的复杂结构的阻碍。
在一项新的研究中，来自美国斯克里普斯研究所（TSRI）、沙克生物研究所和康奈尔大学威尔医学院的研究人员首次解析出Env蛋白复合物的原子水平的特写结构图。这种结构图揭示出Env三聚体的不同部分之间发生的复杂构象变化。这些构象变化仅在这种病毒在正常情形下与一个免疫细胞的质膜融合之前发生。这些发现可能为设计HIV疫苗提供潜在的新靶标。相关研究于2017年7月12日在线发表在Nature期刊上，论文标题为"Open and closed structures reveal allostery and pliability in the HIV-1 envelope spike"。
论文通信作者、TSRI副教授Andrew Ward说，"人们可能将这视为之前已知的HIV融合前状态和融合后状态之间的'缺失的一环'。"
这种结构图也让科学家们迄今为止最为清晰地观察到Env的可塑性，这种可塑性在附着到人细胞表面上之前持续地在不同的构象之间进行转换。
论文共同第一作者、TSRI高级研究员Gabriel Ozorowski说，"几项其他的研究已发现Env三聚体发生构象变化的证据。在这里，我们能够捕获到Env的两种不同构象状态的高分辨率结构图。"
Ward说，"通过理解这种融合中间状态的分子细节，我们能够推断这种三聚体如何在不同状态之间转换，并且设计阻断这些转换的突变或分子。"
一种难以捕捉的靶标
HIV的Env蛋白复合物由三个相同的蘑菇形状的结构组成，每个结构含有一个茎状的亚基（gp41）和一个被称作gp120的帽状区域。这些结构彼此之间仅是松散地连接在一起，从而能够让这种三聚体改变形状，并且使得它很难研究，也很难利用药物靶向它。此外，这种三聚体也频繁地让它的最外面的"可变环（variable loop）"区域发生突变从而躲避免疫攻击，而且它的表面被复杂的糖分子（被称作聚糖）包被着，从而掩盖住潜在的药物结合位点。
但是通过捕捉到Env在一种让这种三聚体表面上之前未知的区域暴露出来的构象下的结构图，这种结构给药物开发者展现出了有趣的新前景。
Ward说，"如果我们能够利用小分子靶向这种结构中新发现的口袋，那么就有潜力制造出新的融合抑制剂药物。"
得益于一种替代物
这些研究人员解析出的Env结构图实际上是将利用冷冻电镜（Cryo-EM）拍摄的几千张图片进行数字化拼凑在一起形成的复合图象。
若要HIV感染发生，Env首先必须结合T细胞外表面上的两个蛋白：先是结合被称作CD4的膜受体，随后结合一个被称作CXCR4或CCR5的辅助受体。在这项新的研究中，这些研究人员构建出一种蛋白，该蛋白包括一种结合到CD4和17b上的修饰性Env（经过基因改造提高其稳定性）。作为一种人抗体，17b类似于CXCR4/CCR5，被用作这些辅助受体的替代物。这种三聚体复合物随后被嵌入到薄薄的一层冰中，并且被放置在冷冻电镜中进行成像。
论文共同第一作者、TSRI高级研究员Jesper Pallesen说，"电子束被这些蛋白原子散射，从而获得详细的二维图片。我们拍摄了大约2000张图片，每张图片含有上千个在随机定向下冻存的Env复合物。我们通过计算让它们对齐，从而构建出高分辨率的三维结构图。"
一种新的状态
Env的这种新的处于它的"融合中间"状态的结构图揭示出一旦结合CD4，gp120的V1和V2可变环翻转远离这种三聚体的中心，从而暴露出这种辅助受体结合位点。CD4结合也触发gp41茎状结构的一部分自我重排而在这种三聚体的内部产生一种小的口袋空间。当为了准备膜融合，这种口袋从这种三聚体的底部移向内部时，它起着稳定gp41中的融合肽（即一种让自我附着到宿主细胞上的氨基酸序列）的作用。
由于HIV的这种融合肽在感染中发挥着至关重要的作用，它特别抵抗突变，因而是一种广受欢迎的药物靶标。Pallesen说，"如果能够靶向这段特定的氨基酸序列，那么这种病毒就会无处可逃。"
然而，经证实攻击这个靶标实际上是较困难的，这是因为这种融合肽很少保持静止不动。Ozorowski说，"在CD4结合之前，这种融合肽在这种三聚体的外面漂浮和摇荡。我们首次在我们的结构中观察到当Env结合CD4时，为准备结合到宿主细胞膜上，这种融合肽向这种三聚体的内部更近地移动，并且获得一种更加稳定的状态。"
构象变化
这些研究人员也开展了第二个抗体替代物实验，从而获得迄今为止最为清晰的能够改变形状的Env的结构图。Ward说，"鉴于Env是一种亚稳态的融合机器，人们长期以来就已了解到它必须是一种具有可塑性的结构。"
利用一种具有类似形状的抗体b12替换CD4，这些研究人员能够证实除了一种"封闭"状态（CD4结合位点受到隐藏）和一种开放状态（准备CD4结合）之外，Env也扭曲成一种部分开放的容纳得下b12但容纳不下CD4的构象。
Ozorowski说，"若要感染发生，这种三聚体必须从一种封闭状态转换到一种开放状态，从而使得这种融合肽接近于宿主细胞。对多种状态进行取样分析可能使得Env更容易在不同状态之间进行切换。我们证实尽管存在这些不同的构象，每种构象仍然表现出一定程度的稳定性。"
这种稳定的亚状态（meta-state）是药物开发者能够利用的另一种途径。Pallesen说，"我们如今能够探究这种新的构象来发现Env表面上的新的可利用药物加以靶向的口袋。因此，它为抵抗HIV感染打开另一个武器库。"
7. Nature：重磅！破解阿尔茨海默病特征性的tau蛋白纤维结构
doi:10.1038/nature23002
在一项新的研究中，来自英国医学研究委员会（MRC）分子生物学实验室（LMB）和美国印第安纳大学的研究人员首次揭示出导致阿尔茨海默病的两种异常纤维之一的原子结构。理解这些纤维的结构将是开发阻止它们形成的药物的关键。他们认为他们发现的这些纤维结构也可能提示着tau蛋白如何在其他的神经退行性疾病中形成不同的纤维。相关研究结果于2017年7月5日在线发表在Nature期刊上，论文标题为"Cryo-EM structures of tau filaments from Alzheimer's disease"。论文通信作者为LMB研究员Michel Goedert和Sjors H. W. Scheres。
作为最为常见的神经退行性疾病，阿尔茨海默病的特征是存在两种异常的在大脑中形成病灶的蛋白"淀粉样"形式。tau蛋白在神经细胞内形成纤维，而β-淀粉样蛋白在细胞外形成纤维。tau病灶似乎与这种疾病的患者的认知丧失存在更强的关联性。
近三十年前，LMB科学家们已鉴定出tau蛋白是在阿尔茨海默病和多种其他的神经退行性疾病中发现的病灶的一个不可或缺的组分。但是，在此之前，人们一直不能够鉴定出这些纤维的原子结构。
这些研究人员提取出一名伴有阿尔茨海默病而死的病人大脑中的tau纤维。他们利用冷冻电子显微技术（cryo-EM）对这些纤维进行成像。Scheres和同事们开发新的软件以便足够详细地计算出这些纤维的结构，并推导出位于它们内部的原子的排列。
Scheres说，"令人兴奋的是，我们能够利用这种新的技术可视化观察来自患病大脑中的这些纤维，这是因为之前的研究依赖于在实验室中组装的人工样品。淀粉样蛋白结构能够以很多不同的方式形成，因此并不清楚的是，这些实验室结构如何密切地类似于在人疾病中产生的相应蛋白结构。"
"了解tau蛋白的哪些部分在纤维形成中发挥重要作用有助于开发药物。比如，很多制药公司当前正在测试中利用tau蛋白的不同部分测量不同药物对纤维形成的影响；这种新的知识应当显著地增加这些测试的准确性。"
Goedert说，"近三十年来，我们就已知道tau蛋白异常组装而成的纤维是阿尔茨海默病的一种典型特征。在1998年，已证实tau蛋白功能异常足以导致神经退化和痴呆症。在2009年，tau蛋白异常组装的朊蛋白样性质已被鉴定出。这些性质允许这种异常的tau蛋白形式将之前正常的形式转化为这种异常形式。"
"在此之前，来自人大脑组织中的tau纤维或任何其他的致病性纤维的高分辨率结构一直是未知的。这项新的研究将有助开发出更好的化合物来诊断和治疗阿尔茨海默病和其他涉及缺陷性tau蛋白的疾病。"
MRC首席科学官Rob Buckle博士说，"这项突破性研究极大地促进我们对阿尔茨海默病的理解。近三十年来，LMB科学家们首次发现tau蛋白在这种疾病中发挥着关键作用。了解这些纤维在患病组织中的基础结构对开发抵抗它们形成的药物是至关重要的。"
8. Nature：从结构上揭示CRISPR-Cpf1的DNA靶向机制
doi:10.1038/nature22398
在一项新的研究中，来自丹麦哥本哈根大学的研究人员发现了一种新的被称作Cpf1的分子剪刀如何让DNA解链，并对它进行切割。这个CRISPR-Cas家族成员表现出较高的准确性，能够像全球定位系统（GPS）那样发挥作用以便鉴定出基因组中的靶位点。Cpf1的高精准度将会改进这种技术在修复基因损伤、其他医学应用和生物技术应用上的使用。
这些研究人员成功地可视化观察和描述了Cpf1的工作方式。这种蛋白属于Cas家族，能够切割双链DNA，因而允许启动这种基因组修饰过程。相关研究结果发表在2017年6月22日的Nature期刊上，论文标题为"Structure of the Cpf1 endonuclease R-loop complex after target DNA cleavage"。论文通信作者为哥本哈根大学研究员Guillermo Montoya和Stefano Stella。
Montoya解释道，这种新的分子剪刀"因极其精准地识别靶DNA序列，将能够让我们更加安全地修饰和编辑写在基因组上的指令。"
切割和连接基因组序列的CRISPR-Cas9系统已正在被用来修饰动物和植物基因组。它也被用来治疗人体中的癌症和视网膜疾病等疾病，而且它的应用在不断增加。
X射线衍射晶体分析技术
全世界的科学家们正在努力优化这种基因组编辑技术以便让它变得更加精准和更加高效。为了实现这一点，科学家们也关注特异性地切割DNA的其他蛋白，如Cpf1，对这些蛋白进行操纵能够将它们引导到基因组中的特定位点上。Montoya团队利用X射线衍射晶体分析技术成功地解析出控制这种过程的分子机制。
Montoya说，"我们利用X射线照射Cpf1蛋白晶体，能够在原子分辨率上观察到它的结构，从而能够让我们观察它的所有组分。X射线衍射是被用来解析生物分子结构的主要生物物理学技术之一。"
"Cpf1的主要优势在于它的高度特异性和DNA切割方式，这是因为利用这种新的分子剪刀能够产生交错末端，而不是Cas9产生的平端断裂。这些交错末端有利于DNA序列插入。"
Montoya补充道，"Cpf1系统识别DNA序列的高精准度指导这种蛋白鉴定出它在基因组中的靶位点。与用于这种目的的其他蛋白相比，它也是多功能的，很容易重新编程。"
遗传疾病和肿瘤
他说，这些性质使得这种系统"特别适合用于治疗遗传病和肿瘤。"
Montoya团队之前与法国生物技术公司Celletics合作利用归巢核酸内切酶（meganuclease）治疗某些白血病。归巢核酸内切酶能够经过重新设计，切割基因组中的特定位点。
Montoya补充道，这种新技术"也能够被用来修饰微生物，旨在合成产生药物和生物燃料所需的代谢物"。
9. Cell：重大突破！首次从结构上揭示CRISPR-Cas3系统作用机制
doi:10.1016/j.cell.2017.06.012
在一项新的研究中，来自美国哈佛医学院和康奈尔大学的研究人员获得来自嗜热裂孢菌（Thermobifida fusca）的I型CRISPR复合体的近原子分辨率的图片，揭示出它的作用机制的关键步骤。这些发现提供改善CRISPR在生物医学应用时的效率和准确性所需的结构数据。相关研究结果发表在2017年6月29日的Cell期刊上，论文标题为"Structure Basis for Directional R-loop Formation and Substrate Handover Mechanisms in Type I CRISPR-Cas System"。论文通信作者为哈佛医学院细胞生物徐助理教授Maofu Liao和康奈尔大学研究员Ailong Ke。
这些研究人员利用冷冻电子显微镜技术首次描述出当这种CRISPR复合体装载靶DNA并让它做好被Cas3酶切割的准备时准确发生的一系列事件。他们说，这些结构揭示出一种存在多层错误检测的过程，即存在阻止不想要的基因组损伤的分子冗余（molecular redundancy）。
CRISPR-Cas系统是一种广泛采用的用于生物医学研究的精准基因编辑工具。CRISPR-Cas3是CRISPR-Cas系统的一种亚型。然而，它的作用机制，特别是它如何寻找它的DNA靶标是不清楚的，而且对不想要的脱靶效应的担忧让人们猜测将CRISPR-Cas用于治疗人类疾病是否会存在安全性问题。
当利用这种CRISPR复合体进行基因编辑时，这些结构的高分辨率细节阐明了确保精确切割和避免脱靶效应的方法。
Liao说，"为了解决特异性问题，我们需要理解CRISPR复合体形成的每个步骤。我们的研究如今展示了入侵DNA如何被CRISPR捕获（从起初时的靶DNA识别到一种使得DNA发生构象变化而最终被Cas3切割的过程）的精确机制。"
CRISPR-Cas是一种被细菌用来抵抗病毒入侵的适应性防御机制。这一过程涉及细菌获得病毒DNA片段，并将这些片段整合到它的基因组中，并且产生短的被称作crRNA（CRISPR RNA）的 RNA序列。这些crRNA片段被用来观察"敌人"的存在。
为了更好地理解CRISPR-Cas如何发挥功能，Liao、Ke和他们的团队着重关注细菌中最常见的CRISPR亚型：1型CRISPR，即利用一种被称作CRISPR Cascade的核糖蛋白复合体（riboprotein complex）捕获DNA，并且利用酶Cas3切割外源DNA。
通过联合使用生化技术和冷冻电子显微镜技术，他们复原出在不同的功能状态下的稳定的Cascade，并且进一步获得Cascade在捕获和加工DNA时分辨率低至3.3埃（大约是一个碳原子直径的3倍）的图片。
在CRISPR-Cas3中，crRNA被装载到CRISPR Cascade上，随后寻找一段非常短的表明外源病毒DNA存在的DNA序列（被称作PAM）。
Liao、Ke和他们的同事们发现当Cascade检测PAM序列时，它让DNA呈锐角弯曲，迫使一小段DNA解链。这允许crRNA的一个长11nt的片段结合到靶DNA链上，形成一种"种泡（seed bubble）"。
这种种泡发挥一种自动防故障装置的作用，检查靶DNA是否匹配crRNA。如果它们正确地匹配，那么这种种泡就会扩大，crRNA的剩余部分就与它对应的靶DNA结合，形成一种"R环（R-loop）"结构。
一旦这种R环完全形成，这种CRISPR Cascade复合体经历一种构象变化，从而将靶DNA锁定。它也让DNA的第二条非靶标链产生一个凸起，这个凸起被移交到这种CRISPR Cascade复合体的一个不同位置上供Cas3酶切割。
仅当一种完整的R环形成时，Cas3酶才结合和切割在这条非靶标DNA链上产生的这个凸起上的DNA。
这些发现揭示出一种精心设计的分子冗余确保精准切割和避免错误地切割细菌自己的DNA。
Ke说，"为了将CRISPR用于人类医学中，我们必须确保CRISPR系统是准确的，它不会靶向错误的基因。我们的观点是CRISPR-Cas3亚型已进化为一种精准的系统，有潜力成为一种更加精准的用于基因编辑的系统。即便存在错误靶向，我们也知道如何操纵这个系统，这是因为我们知道哪些步骤参与其中，以及我们可能在何处进行干预。"
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