青年研究员发表Cell子刊封面文章

【字体: 时间:2010年10月27日 来源:生物通

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  来自中国科学院生物物理研究所,微生物研究所的研究人员获得了二型分子伴侣开口状态的晶体与电镜结构,这为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。这一研究成果公布在结构生物学著名期刊《Structure》(Cell杂志旗下期刊)上。

  

生物通报道:来自中国科学院生物物理研究所,微生物研究所的研究人员获得了二型分子伴侣开口状态的晶体与电镜结构,这为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。这一研究成果公布在结构生物学著名期刊《Structure》(Cell杂志旗下期刊)上。

文章由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,其中孙飞研究员在南京大学,清华大学学习后,2006年进入生物物理所,短短几年时间内获得了多项成果。其研究组主要研究方向为以低温电子显微镜技术、单颗粒三维重构技术和X射线晶体学方法研究膜蛋白、蛋白质复合体以及蛋白质机器等的结构与功能。

这篇文章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,而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的都不是很透彻,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。

这一研究以来源于古菌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,他们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)的开口构象非常好的吻合。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就更少了;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。

(生物通:万纹)

作者简介:

孙飞研究员
简历:
1997-2001 年 南京大学基础教学强化部,获得学士学位
2001-2006 年 清华大学医学院结构生物学实验室,获博士学位
2006 -至今 中国科学院生物物理研究所研究员

主要研究内容包括:
主要以低温电子显微镜技术、单颗粒三维重构技术和X射线晶体学方法研究膜蛋白、蛋白质复合体以及蛋白质机器等的结构与功能。包括:线粒体呼吸链膜蛋白复合物的结构与生化功能研究;细菌脂蛋白合成通路脂修饰酶的结构与功能研究;古菌分子伴侣的三维重构与结构变化;真核生物染色质重组蛋白因子的结构研究;帕金森氏病相关蛋白富亮氨酸重复激酶2(LRRK2)的三维结构结构研究;兔出血症病毒衣壳三维结构研究;参与细胞内吞作用再循环过程蛋白ACAP1的结构与功能研究;通过电子断层三维重构技术研究膜窖的三维结构及其内吞发生过程的动态变化等。

代表性论文:
Wang, L., Wang, L., Vavassori, S., Li, S., Ke, H., Anelli, T., Degano, M., Ronzoni, R., Sitia, R., Sun, F., and Wang, C. C. 2008. Crystal structure of human ERp44 shows a dynamic functional modulation by its carboxy-terminal tail. EMBO reports, 9(7):642-647

Huo X, Su D, Wang A, Zhai Y, Xu J, Li X, Bartlam M, Sun F, Rao Z. Preliminary molecular characterization and crystallization of mitochondrial respiratory complex II from porcine heart ,2007, FEBS JOURNAL, 274(6): 1524-1529

Su D, Lou ZY, Sun F, et al, Dodecamer structure of severe acute respiratory syndrome coronavirus nonstructural protein nsp10, 2007, J VIROL, 80 (16): 7902-7908

Xu XL, Zhai YJ, Sun F, et al, New antiviral target revealed by the hexameric structure of mouse hepatitis virus nonstructural protein nsp15, 2007, J VIROL, 80 (16): 7909-7917

Zheng, W., Sun, F., Bartlam, M., Li, X., Li, R. & Rao, Z ,The crystal structure of human isopentenyl diphosphate isomerase at 1.7 a resolution reveals its catalytic mechanism in isoprenoid biosynthesis, 2007, J MOL BIOL. 366, 1447-58

Sun F, Huo X, Zhai Y, Wang A, Xu J, Su D, Bartlam M& Rao Z. 2005. Crystal structure of mitochondrial respiratory membrane protein complex II. Cell, 121: 1043-1057.

Zhai Y*, Sun F*, Li X, Pang H, Xu X, Bartlam M & Rao Z. 2005. Insights into SARS-CoV transcription and replication from the structure of the nsp7-nsp8 hexadecamer. Nat. Struct. Mol. Biol. 12(11): 980-986

Sun F, Li P, Ding Y, Wang L, M Bartlam, Shu C, Shen B, Jiang H, Li S & Rao Z. 2003. Desian and Structure Based Study of New Potential FKBP12 Inhibitors. Biophysical Journal, 85 (5): 3194-3201.

 

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