結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展

                                           

1、Cell：解析出人細(xì)胞中BAF復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)
 
一種稱為BAF復(fù)合物的關(guān)鍵分子“機(jī)器”可改變DNA的結(jié)構(gòu)，并且在癌癥和其他一些疾病中經(jīng)常發(fā)生突變。在一項新的研究中，來自美國達(dá)納-法伯癌癥研究所、洛克菲勒大學(xué)和華盛頓大學(xué)的研究人員構(gòu)建出這種復(fù)合物的一種前所未有的三維結(jié)構(gòu)模型。他們首次報告了首批直接從人體細(xì)胞中純化出的處于天然狀態(tài)下的BAF復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)“圖片”，這就讓人們有機(jī)會將成千上萬種癌癥相關(guān)突變在空間上對應(yīng)到這個復(fù)合物的特定位置上。相關(guān)研究結(jié)果于2020年10月13日在線發(fā)表在Cell期刊上，論文標(biāo)題為“A Structural Model of the Endogenous Human BAF Complex Informs Disease Mechanisms”。論文通訊作者為達(dá)納-法伯癌癥研究所的Cigall Kadoch博士、洛克菲勒大學(xué)的Frank DiMaio博士和華盛頓大學(xué)的Thomas Walz博士。
 
Kadoch說，“在此之前，關(guān)于這種復(fù)合物在我們細(xì)胞的細(xì)胞核內(nèi)的實際面貌的三維結(jié)構(gòu)模型或者說‘圖片’仍然是不清晰的。”這些研究人員說，這些新獲得的模型“代表了迄今為止解析出的人類BAF復(fù)合物的最完整的圖片。”
 
這些新的發(fā)現(xiàn)“為理解BAF復(fù)合物成分發(fā)生的與人類疾病相關(guān)的突變提供了關(guān)鍵的基礎(chǔ)，這些突變存在于20%以上的人類癌癥、一些智力殘疾和神經(jīng)發(fā)育障礙中。”這些新見解可能有助于科學(xué)家們了解組成這種復(fù)合物的蛋白發(fā)生的突變是如何導(dǎo)致對DNA的正常調(diào)控受到破壞，因而有潛力破壞細(xì)胞中的基因表達(dá)，這有可能導(dǎo)致細(xì)胞癌變和形成腫瘤。比如，BAF復(fù)合物發(fā)生的突變是滑膜肉瘤、惡性橫紋肌瘤等罕見兒童癌癥的唯一原因，也是卵巢癌、肺癌等常見癌癥的原因之一。
 
作為一種“分子機(jī)器”，BAF復(fù)合物本質(zhì)上是一組重塑細(xì)胞中DNA包裹方式的蛋白。它由12個蛋白亞基組成。Kadoch說，以前試圖獲得BAF復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)模型的嘗試是針對實驗室中經(jīng)過基因改造的蛋白分子，“這無法重現(xiàn)整個復(fù)合物”。她說，自2014年以來，她和她的同事們一直在嘗試解析BAF的三維結(jié)構(gòu)，他們的主要目標(biāo)是構(gòu)建一種結(jié)構(gòu)模型，以便幫助他們了解突變的影響，并最終幫助根據(jù)突變在BAF結(jié)構(gòu)“圖片”上的位置進(jìn)行分類。她說，從人類細(xì)胞中提取BAF復(fù)合物是一個巨大的挑戰(zhàn)：“我們設(shè)計了一種新的方法來純化這種復(fù)合物---這花了好幾年時間”。
 
BAF是幾種通過修改染色質(zhì)（由DNA和蛋白組成）來調(diào)節(jié)基因表達(dá)的分子“機(jī)器”之一。染色質(zhì)是將長長的含有基因的DNA鏈更緊密壓縮形成的。一個細(xì)胞中含有數(shù)十萬個染色質(zhì)修飾復(fù)合物，BAF就是其中的一種。BAF發(fā)生的突變雖然不會改變DNA基因密碼而導(dǎo)致癌癥，但會破壞DNA的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和易接近性，從而導(dǎo)致基因表達(dá)異常和惡性腫瘤生長。
 
這些研究人員結(jié)合使用了幾種強(qiáng)大的新分析工具，構(gòu)建出BAF復(fù)合物作為單個孤立的復(fù)合物時和與核小體結(jié)合在一起時的結(jié)構(gòu)模型。核小體是染色質(zhì)的卷軸狀單元，DNA片段纏繞在核小體周圍。與核小體結(jié)合是BAF復(fù)合物重塑染色質(zhì)和影響基因表達(dá)的必要條件。他們用來獲得與核小體結(jié)合的BAF結(jié)構(gòu)的最新和最有用的工具之一是低溫電鏡（cryo-EM）。作為電子顯微鏡的一種形式，它可以在天然環(huán)境中構(gòu)建分子的高分辨率模型，并且正在引發(fā)結(jié)構(gòu)生物學(xué)變革。在這種情況下，人類的BAF復(fù)合物太過復(fù)雜和靈活，單靠這種方法無法產(chǎn)生高分辨率的結(jié)構(gòu)，但當(dāng)與另外兩種方法（交聯(lián)質(zhì)譜和同源建模）相結(jié)合時，亞基之間的結(jié)構(gòu)連接變得更加清晰。
 
Kadoch和她的同事們報告說，BAF復(fù)合物由三個模塊組成，這三個模塊形成“C”形結(jié)構(gòu)，并像木匠用C形夾把木頭塊固定在一起一樣夾住核小體。他們發(fā)現(xiàn)，BAF結(jié)構(gòu)中夾住核小體的兩個區(qū)域是經(jīng)常發(fā)生致癌突變的“熱點”，并通過實驗說明突變?nèi)绾纹茐腂AF復(fù)合物對染色質(zhì)的正常調(diào)控。他們還在這種復(fù)合物中發(fā)現(xiàn)了已知癌癥突變的其他位點，其中，這些已知的癌癥突變包含在一個稱為COSMIC（Catalogue of Somatic Mutations in Cancer, 癌癥體細(xì)胞突變目錄）的數(shù)據(jù)庫中，在結(jié)構(gòu)上“簇集”在一起，并揭示了它們的功能。
 
Kadoch說，“在BAF復(fù)合物的結(jié)構(gòu)上繪制這樣的突變圖譜并并了解它們的功能影響幾十年來一直是這個領(lǐng)域的一個主要的、未被滿足的目標(biāo)。這標(biāo)志著一個時代的開始，在這個時代里，我們將能夠?qū)Υ_定特定腫瘤特征和提供治療機(jī)會的突變進(jìn)行功能性分類。”
 
2、Cell：對SARS-CoV-2刺突蛋白變體D614G的結(jié)構(gòu)和功能分析
 
自2019年12月8日以來，中國湖北省武漢市報告了幾例病因不明的肺炎。大多數(shù)患者在當(dāng)?shù)氐娜A南海鮮批發(fā)市場工作或附近居住。在這種肺炎的早期階段，嚴(yán)重的急性呼吸道感染癥狀出現(xiàn)了，一些患者迅速發(fā)展為急性呼吸窘迫綜合征 （acute respiratory distress syndrome, ARDS）、急性呼吸衰竭和其他的嚴(yán)重并發(fā)癥。2020年1月7日，中國疾病預(yù)防控制中心（China CDC）從患者的咽拭子樣本中鑒定出一種新型冠狀病毒，最初被世界衛(wèi)生組織（WHO）命名為2019-nCoV。大多數(shù)2019-nCoV肺炎患者的 癥狀較輕，預(yù)后良好。到目前為止，一些患者已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重的肺炎，肺水腫，ARDS或多器官功能衰竭和死亡。
 
新型冠狀病毒SARS-CoV-2導(dǎo)致2019年冠狀病毒�。–OVID-19），如今正在全球肆虐。疫苗是控制大流行迫切需要的必要對策。目前還沒有針對SARS-CoV-2的人類疫苗，但大約有120種候選疫苗正在研發(fā)中。
 
SARS-CoV-2與另外兩種密切相關(guān)的高致病性病毒SARS-CoV和 MERS-CoV同屬冠狀病毒科β冠狀病毒屬。SARS-CoV-2有一個大小為30kb的正義、單鏈RNA基因組。它的核衣殼蛋白（N）和由膜蛋白（M）、包膜蛋白（E）以及刺突蛋白（S）組成的外膜包覆著它的基因組。
 
與SARS-CoV一樣，SARS-CoV-2的S蛋白通過受體結(jié)合結(jié)構(gòu)域（RBD）與它們共同的受體血管緊張素轉(zhuǎn)換酶2（ACE2）結(jié)合，介導(dǎo)病毒進(jìn)入宿主細(xì)胞。在此之前，科學(xué)家們已經(jīng)證實，SARS-CoV和MERS-CoV的RBD包含主要的構(gòu)象依賴性中和表位，并能夠在免疫動物中引起強(qiáng)效的中和抗體，因而是有希望的疫苗開發(fā)靶標(biāo)。
 
SARS-CoV-2刺突蛋白（S蛋白）變體D614G在全球范圍內(nèi)取代了祖先病毒，并且在幾個月內(nèi)達(dá)到了接近固定化的程度。
 
在一項新的研究中，來自美國馬薩諸塞大學(xué)醫(yī)學(xué)院、哈佛大學(xué)、賽默飛世爾科技公司和再生元制藥公司的研究人員發(fā)現(xiàn)D614G在人類肺細(xì)胞、結(jié)腸細(xì)胞以及在通過異位表達(dá)人類ACE2或來自各種哺乳動物（包括中華菊頭蝠和馬來亞穿山甲）的ACE2同源物而允許被病毒感染的細(xì)胞上，比它的祖先病毒更具感染力。相關(guān)研究結(jié)果于2020年9月15日在線發(fā)表在Cell期刊上，論文標(biāo)題為“Structural and Functional Analysis of the D614G SARS-CoV-2 Spike Protein Variant”。
 
D614G沒有改變S蛋白的合成、加工或整合到SARS-CoV-2病毒顆粒中，但由于較快的解離速度，D614G對ACE2的親和力降低。
 
通過低溫電子顯微鏡對S蛋白三聚體的評估表明，D614G破壞了S蛋白的原聚體（protomer）之間的接觸，使得S蛋白的構(gòu)象轉(zhuǎn)向能夠結(jié)合ACE2的狀態(tài)，這被認(rèn)為是病毒顆粒與靶細(xì)胞膜融合的途徑。與這種更開放的構(gòu)象相一致的是，靶向S蛋白受體結(jié)合結(jié)構(gòu)域（RBD）的抗體的中和效力并沒有減弱。
 
3、Cell：我國科學(xué)家從結(jié)構(gòu)上揭示BD-368-2抗體可有效治療遭受新冠病毒嚴(yán)重感染的倉鼠
 
了解強(qiáng)效中和抗體（NAb）如何抑制SARS-CoV-2是開發(fā)有效療法的關(guān)鍵。在之前的一項新的研究中，利用在單細(xì)胞基因組學(xué)方面的專長，北京大學(xué)北京未來基因診斷高精尖創(chuàng)新中心的謝曉亮團(tuán)隊與首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京佑安醫(yī)院副院長的研究人員合作，從60余名恢復(fù)期患者體內(nèi)收集了血液樣本，在這些血液樣本中，從8558個抗原結(jié)合的IgG1+克隆型（clonotype）中篩選出14種高強(qiáng)效中和抗體（Cell, 2020, doi:10.1016/j.cell.2020.05.025）。作為它們中最強(qiáng)效的抗體，BD-368-2對SARS-CoV-2假病毒和真正的SARS-CoV-2病毒的IC50值分別為8pM和100pM。
 
這些研究人員利用中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院實驗動物研究所秦川博士實驗室開發(fā)的hACE2轉(zhuǎn)基因小鼠模型，完成了中和抗體的體內(nèi)抗病毒實驗。實驗結(jié)果顯示，BD-368-2抗體對SARS-CoV-2具有較強(qiáng)的治療效果和預(yù)防保護(hù)作用：將BD-368-2抗體注射到受感染的小鼠體內(nèi)時，病毒載量降低了約2400倍；將BD-368-2抗體注射到未受感染的小鼠體內(nèi)時，它們免受病毒感染。
 
然而，BD-368-2抗體中和SARS-CoV-2的機(jī)制在很大程度上是未知的。為此，在一項新的研究中，這些研究人員報道了BD-368-2與SARS-CoV-2刺突蛋白（S蛋白）三聚體復(fù)合物結(jié)合在一起時的分辨率為3.5埃的低溫電鏡（cryo-EM）結(jié)構(gòu)，揭示出BD-368-2通過同時占據(jù)所有三個受體結(jié)合結(jié)構(gòu)域（RBD）來完全阻止這種S蛋白三聚體復(fù)合物對ACE2的識別，而且不論RBD是處于“上”構(gòu)象還是“下”構(gòu)象，都是如此。相關(guān)研究結(jié)果于2020年9月14日在線發(fā)表在Cell期刊上，論文標(biāo)題為“Structurally resolved SARS-CoV-2 antibody shows high efficacy in severely infected hamsters and provides a potent cocktail pairing strategy”。
 
再者，BD-368-2以低劑量和不同給藥窗口可治療受感染的成年倉鼠，而接受安慰劑處理的受感染倉鼠表現(xiàn)出嚴(yán)重的間質(zhì)性肺炎。
 
此外，BD-368-2的表位完全避開了反復(fù)出現(xiàn)的VH3-53/VH3-66中和抗體的共同結(jié)合位點，與RBD的三方共晶結(jié)構(gòu)也證實了這一點。
 
將BD-368-2與反復(fù)出現(xiàn)的強(qiáng)效中和抗體配對，可在pM水平下中和SARS-CoV-2假病毒，并拯救突變誘導(dǎo)的中和逃逸。
 
綜上所述，這些研究人員合理設(shè)計了一個可導(dǎo)致高中和效力的新RBD表位，并證實BD-368-2在治療COVID-19方面的治療潛力。
 
4、Cell：揭示新冠病毒S蛋白RBD結(jié)構(gòu)域的中和位點和免疫顯性位點
 
新型冠狀病毒SARS-CoV-2導(dǎo)致2019年冠狀病毒�。–OVID-19），如今正在全球肆虐。目前人們迫切需要一種有效的預(yù)防疫苗來對抗這種病毒。然而，目前還沒有針對SARS-CoV-2的人類疫苗，但大約有120種候選疫苗正在研發(fā)中。
 
SARS-CoV-2與另外兩種密切相關(guān)的高致病性病毒SARS-CoV和 MERS-CoV同屬冠狀病毒科β冠狀病毒屬。SARS-CoV-2有一個大小為30kb的正義、單鏈RNA基因組。它的核衣殼蛋白（N）和由膜蛋白（M）、包膜蛋白（E）以及刺突蛋白（S）組成的外膜包覆著它的基因組。
 
與SARS-CoV一樣，SARS-CoV-2的S蛋白通過受體結(jié)合結(jié)構(gòu)域（RBD）與它們共同的受體血管緊張素轉(zhuǎn)換酶2（ACE2）結(jié)合，介導(dǎo)病毒進(jìn)入宿主細(xì)胞。S蛋白包含兩個功能性亞基S1和S2，其中S1負(fù)責(zé)與宿主細(xì)胞受體結(jié)合，S2亞基負(fù)責(zé)病毒膜和細(xì)胞膜融合。在感染過程中，S蛋白被宿主蛋白酶（比如TMPRSS2）切割成N端的S1亞基和C端的S2亞基，并從融合前狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿诤虾鬆顟B(tài)。S1和S2由胞外結(jié)構(gòu)域（ECD）和單個跨膜螺旋組成，分別介導(dǎo)受體結(jié)合和膜融合。S1由N端結(jié)構(gòu)域（NTD）和受體結(jié)合結(jié)構(gòu)域（RBD）組成，對決定組織嗜性和宿主范圍至關(guān)重要。
 
分析SARS-CoV-2感染引起的中和抗體（nAb）的特異性和動力學(xué)特征對于理解免疫保護(hù)和確定用于疫苗設(shè)計的靶標(biāo)至關(guān)重要。
 
在一項新的研究中，來自美國華盛頓大學(xué)和Vir生物技術(shù)（Vir Biotechnology）子公司Humabs Biomed SA等研究機(jī)構(gòu)的研究人員在647名SARS-CoV-2感染者的隊列中，發(fā)現(xiàn)對SARS-CoV-2刺突蛋白和核蛋白（nucleoprotein, NP）的抗體反應(yīng)強(qiáng)度和中和抗體滴度均與臨床評分相關(guān)。相關(guān)研究結(jié)果于2020年9月16日在線發(fā)表在Cell期刊上，論文標(biāo)題為“Mapping neutralizing and immunodominant sites on the SARS-CoV-2 spike receptor-binding domain by structure-guided high-resolution serology”。
 
SARS-CoV-2刺突蛋白的受體結(jié)合結(jié)構(gòu)域（RBD）是免疫顯性的，也是SARS-CoV-2免疫血清中存在的90%中和抗體的靶點。
 
盡管整體RBD特異性血清IgG滴度在半衰期為49天的情形下減弱，但是一些個體的nAb滴度和親合力（avidity）隨著時間的推移而增加，這與親和力成熟（affinity maturation）相一致。
 
這些研究人員利用單克隆抗體從結(jié)構(gòu)上確定RBD抗原圖譜，并對不同RBD表位特異性的血清抗體進(jìn)行了血清學(xué)定量，從而確定了兩個主要的受體結(jié)合基序抗原位點。這些研究結(jié)果解釋了受體結(jié)合基序的免疫顯性，并將會指導(dǎo)COVID-19疫苗設(shè)計和藥物開發(fā)。
 
5、Cell：清華大學(xué)和浙江大學(xué)聯(lián)手揭示新冠病毒的分子結(jié)構(gòu)
 
新型冠狀病毒SARS-CoV-2導(dǎo)致2019年冠狀病毒�。–OVID-19），如今正在全球肆虐。疫苗是控制大流行迫切需要的必要對策。目前還沒有針對SARS-CoV-2的人類疫苗，但大約有120種候選疫苗正在研發(fā)中。
 
SARS-CoV-2與另外兩種密切相關(guān)的高致病性病毒SARS-CoV和 MERS-CoV同屬冠狀病毒科β冠狀病毒屬。SARS-CoV-2有一個大小為30kb的正義、單鏈RNA基因組。它的核衣殼蛋白（N）和由膜蛋白（M）、包膜蛋白（E）以及刺突蛋白（S）組成的外膜包覆著它的基因組。
 
與SARS-CoV一樣，SARS-CoV-2的S蛋白通過受體結(jié)合結(jié)構(gòu)域（RBD）與它們共同的受體血管緊張素轉(zhuǎn)換酶2（ACE2）結(jié)合，介導(dǎo)病毒進(jìn)入宿主細(xì)胞。在此之前，科學(xué)家們已經(jīng)證實，SARS-CoV和MERS-CoV的RBD包含主要的構(gòu)象依賴性中和表位，并能夠在免疫動物中引起強(qiáng)效的中和抗體，因而是有希望的疫苗開發(fā)靶標(biāo)。
 
盡管最近在SARS-CoV-2蛋白的結(jié)構(gòu)闡明方面取得了進(jìn)展，但完整病毒的詳細(xì)結(jié)構(gòu)仍有待揭曉。
 
在一項新的研究中，來自中國清華大學(xué)和浙江大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)的研究人員利用低溫電子斷層掃描（cryo-electron tomography, cryo-ET）和子斷層掃描圖平均化（subtomogram averaging, STA）技術(shù)，報道了真實的SARS-CoV-2病毒的分子結(jié)構(gòu)。相關(guān)研究結(jié)果于2020年9月14日在線發(fā)表在Cell期刊上，論文標(biāo)題為“Molecular architecture of the SARS-CoV-2 virus”。
 
這些研究人員確定了SARS-CoV-2刺突蛋白在融合前和融合后構(gòu)象下的天然結(jié)構(gòu)，平均分辨率為8.7～11埃。
 
他們利用質(zhì)譜分析了天然的SARS-CoV-2刺突蛋白中的N-連接聚糖（N-linked glycan）的組成，發(fā)現(xiàn)這些天然N-連接聚糖的整體加工狀態(tài)與重組SARS-CoV-2刺突蛋白上的聚糖加工狀態(tài)高度相似。
 
他們揭示出SARS-CoV-2核糖核蛋白（ribonucleoprotein, RNP）的天然構(gòu)象及其高階組裝體�？偟膩碚f，這些表征極其詳細(xì)地揭示了SARS-CoV-2病毒的結(jié)構(gòu)，并闡明了這種病毒如何將它的長達(dá)大約30 kb的單分段RNA包裝在直徑為大約80 nm的殼體內(nèi)。
 
6、Cell：首次解析出致幻劑與5-HT2A血清素受體結(jié)合在一起時的三維結(jié)構(gòu)
 
諸如麥角酰二乙胺（LSD）、裸蓋菇素（psilocybin）和墨斯卡靈（mescaline）之類的致幻劑會導(dǎo)致嚴(yán)重且往往是持久的幻覺，但是它們在治療重度抑郁癥等嚴(yán)重精神疾病方面顯示出巨大的潛力。為了充分研究這種潛力，科學(xué)家們需要知道這些藥物如何在分子水平上與腦細(xì)胞相互作用，以引起它們的引人注目的生物效應(yīng)。
 
在一項新的研究中，美國北卡羅來納大學(xué)教堂山分校的Bryan L. Roth博士和斯坦福大學(xué)的Georgios Skiniotis博士及其同事們朝著這個方向邁出了一大步。他們首次解析出這些致幻劑與腦細(xì)胞表面上的5-HT2A血清素受體（5-HT2A serotonin receptor, HTR2A）結(jié)合在一起時的高分辨率結(jié)構(gòu)。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2020年9月17日的Cell期刊上，論文標(biāo)題為“Structure of a Hallucinogen-Activated Gq-Coupled 5-HT2A Serotonin Receptor”。
 
這一發(fā)現(xiàn)已經(jīng)在引導(dǎo)人們探索更精確的化合物，這些化合物可以消除幻覺，但仍有很強(qiáng)的治療效果。此外，科學(xué)家們還可以有效地改變LSD和裸蓋菇素等藥物的化學(xué)成分，其中裸蓋菇素是蘑菇中的致幻化合物，已被美國食品藥品管理局（FDA）授予治療抑郁癥的突破性地位。
 
論文共同通訊作者、北卡羅來納大學(xué)教堂山分校醫(yī)學(xué)院藥理學(xué)教授Bryan L. Roth博士說，“數(shù)以百萬計的人為了消遣而服用這些藥物，如今它們正逐漸成為治療藥物。首次了解它們在分子水平上如何發(fā)揮作用真地很重要，這是了解它們?nèi)绾纹鹱饔玫年P(guān)鍵。鑒于裸蓋菇素對抑郁癥的顯著療效（在II期臨床試驗中），我們相信我們的發(fā)現(xiàn)將加速發(fā)現(xiàn)快速起效的抗抑郁藥，并有可能發(fā)現(xiàn)治療重度焦慮和物質(zhì)使用障礙等其他疾病的新藥。”
 
科學(xué)家們認(rèn)為，HTR2A在人類大腦皮層中的表達(dá)水平非常高，它的激活是致幻藥物起作用的關(guān)鍵。Roth說，“當(dāng)激活時，這種受體會導(dǎo)致神經(jīng)元以不同步和無序的方式放電，從而將噪音輸入到大腦系統(tǒng)中。我們認(rèn)為這是這些藥物導(dǎo)致迷幻體驗的原因。但目前還完全不清楚這些藥物是如何發(fā)揮它們的治療作用的。”
 
在這項新的研究中，Roth實驗室與斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院結(jié)構(gòu)生物學(xué)家Skiniotis合作。Skiniotis說，“多項不同的研究進(jìn)展的結(jié)合使得我們能夠進(jìn)行這項研究。其中之一是制備出更好、更均勻的5-HT2A受體蛋白。另一個是低溫電鏡技術(shù)（cryo-EM），它使得我們能夠觀察非常大的復(fù)合物，而不必讓它們結(jié)晶。”
 
Roth表揚(yáng)了他實驗室的博士后研究員Kuglae Kim博士，這是因為Kim堅定不移地探索各種實驗方法來純化和穩(wěn)定非常脆弱的血清素受體HTR2A。Roth說，“Kim很了不起。我毫不夸張地說，他完成的工作是最難做的事情之一。在三年的時間里，在一種慎重的、反復(fù)的、創(chuàng)造性的過程中，他能夠稍加修改血清素蛋白，這樣我們就可以得到足夠數(shù)量的穩(wěn)定蛋白來進(jìn)行研究。”
 
Roth團(tuán)隊利用Kim的研究工作，首次揭示了LSD與HTR2A結(jié)合在一起時的X射線晶體結(jié)構(gòu)。重要的是，Skiniotis及其團(tuán)隊隨后利用低溫電鏡技術(shù)揭示了一種名為25-CN-NBOH的原型致幻劑與這整個受體復(fù)合物（包括效應(yīng)蛋白Gαq）結(jié)合在一起時的圖像。在大腦中，這個復(fù)合物控制神經(jīng)遞質(zhì)的釋放，并影響許多生物過程和神經(jīng)過程。Kim利用低溫電鏡圖像來說明HTR2A在氨基酸水平上的精確結(jié)構(gòu)。
 
Roth和同事們?nèi)缃裾龑⑺麄兊陌l(fā)現(xiàn)應(yīng)用于基于結(jié)構(gòu)的新藥物發(fā)現(xiàn)，以便開發(fā)新的治療藥物。其中的一個目標(biāo)是發(fā)現(xiàn)潛在的候選藥物，這些候選藥物可能能夠在沒有致幻效果的情況下提供治療益處。
 
Skiniotis說，“我們對這些藥物如何與HTR2A受體結(jié)合了解越多，我們就越能理解它們的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)特性。這項研究還沒有給我們提供全貌，但是它提供了其中的相當(dāng)大一部分。”
 
7、Nature：揭示SARS-CoV-2刺突蛋白結(jié)合人ACE2受體的結(jié)構(gòu)機(jī)制
 
在一項新的研究中，來自英國弗朗西斯-克里克研究所的研究人員發(fā)現(xiàn)位于SARS-CoV-2冠狀病毒表面上的刺突蛋白（S蛋白）與人類病毒受體ACE2接觸時，可以采取至少十種不同的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。這種對感染機(jī)制的新見解為開發(fā)疫苗和治療方法奠定基礎(chǔ)。相關(guān)研究結(jié)果于2020年9月17日在線發(fā)表在Nature期刊上，論文標(biāo)題為“Receptor binding and priming of the spike protein of SARS-CoV-2 for membrane fusion”。
 
作為引起新冠肺炎（COVID-19）的冠狀病毒，SARS-CoV-2的表面覆蓋著S蛋白，這使得這種病毒能夠感染人體細(xì)胞。當(dāng)S蛋白與細(xì)胞表面受體ACE2結(jié)合，并在隨后階段催化病毒基因組釋放到細(xì)胞中時，感染就開始了。然而，ACE2與SARS-CoV-2的S蛋白結(jié)合的確切性質(zhì)仍然未知。
 
在首次對ACE2與S蛋白之間的結(jié)合機(jī)制進(jìn)行整體考察的研究中，這些研究人員，對S蛋白與受體結(jié)合和感染的不同階段相關(guān)的10種不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。他們首先孵育S蛋白和ACE2的混合物，然后通過在液態(tài)乙烷中快速冷凍，捕捉不同形式的S蛋白。他們使用低溫電鏡技術(shù)檢查這些蛋白樣品，獲得了數(shù)萬張不同結(jié)合階段的高分辨率圖像。
 
他們觀察到，S蛋白是以封閉和開放結(jié)構(gòu)的混合物存在的。在ACE2結(jié)合一個開放位點后，S蛋白變得更加開放，導(dǎo)致一系列有利的構(gòu)象變化，從而為進(jìn)一步的結(jié)合做好準(zhǔn)備。一旦S蛋白在所有三個結(jié)合位點上與ACE2結(jié)合，它的中央核心就會暴露出來，這可能有助于SARS-CoV-2與細(xì)胞膜融合，使得感染得以發(fā)生。
 
論文共同通訊作者、弗朗西斯-克里克研究所疾病過程結(jié)構(gòu)生物學(xué)實驗室博士后培訓(xùn)研究員Donald Benton說，“通過從整體角度研究結(jié)合事件，我們能夠描述SARS-CoV-2特有的S蛋白結(jié)構(gòu)。我們可以觀察到，當(dāng)S蛋白變得更加開放時，這種蛋白的穩(wěn)定性會降低，這可能會增加它進(jìn)行膜融合的能力，從而允許感染發(fā)生。”
 
這些研究人員希望，他們越能發(fā)現(xiàn)SARS-CoV-2與其他冠狀病毒的不同之處，他們就能更有針對性地開發(fā)新的治療方法和疫苗。
 
論文共同通訊作者、弗朗西斯-克里克研究所疾病過程結(jié)構(gòu)生物學(xué)實驗室博士后培訓(xùn)研究員Antoni Wrobel說，“隨著我們揭開感染最早階段的機(jī)制，我們可能會暴露出新的治療靶點，或者了解目前現(xiàn)有的哪些抗病毒療法更有可能發(fā)揮作用。”
 
論文共同通訊作者、弗朗西斯-克里克研究所疾病過程結(jié)構(gòu)生物學(xué)實驗室負(fù)責(zé)人Steve Gamblin說，“我們對SARS-CoV-2還有很多不了解的地方，但它的基本生物學(xué)包含了控制這種流行病的線索。通過了解是什么使這種病毒與眾不同，我們就可以暴露出可利用的弱點。” 這些研究人員正在繼續(xù)研究SARS-CoV-2和其他物種中相關(guān)冠狀病毒的S蛋白結(jié)構(gòu)，以更好地了解病毒感染和進(jìn)化的機(jī)制。
 
8、Nature：揭示核小體抑制cGAS的結(jié)構(gòu)機(jī)制
 
在所有哺乳動物中，環(huán)狀GMP-AMP合酶（cGAS）感知病原DNA的入侵，并刺激炎癥信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、自噬和凋亡。cGAS都是通過檢測處于錯誤位置的DNA來發(fā)揮作用的。在正常條件下，DNA被緊密地包裝在細(xì)胞核中并受到保護(hù)。DNA沒有理由會在細(xì)胞周圍自由移動。當(dāng)DNA片段確實最終逃離細(xì)胞核并進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)中時，這通常表明存在著一些不祥之兆，比如來自細(xì)胞內(nèi)的損傷或來自侵入細(xì)胞內(nèi)的病毒或細(xì)菌的外來DNA。
 
cGAS蛋白通過識別這種處于錯誤位置的DNA而發(fā)揮作用。在正常情形下，它在細(xì)胞中處于休眠狀態(tài)。但是一旦cGAS檢測到DNA存在于細(xì)胞核外面，它就突然起作用。它產(chǎn)生另一種化學(xué)物質(zhì)---一種被稱作2'3'環(huán)狀GMP-AMP（cGAMP）的第二種信使，從而引發(fā)一種分子鏈反應(yīng)，結(jié)果就是提醒細(xì)胞中的DNA異常存在。在這種信號級聯(lián)反應(yīng)結(jié)束時，細(xì)胞要么得到修復(fù)，要么因損壞到無法修復(fù)的地步，它就會自我破壞。
 
但是細(xì)胞的健康和完整性取決于cGAS能夠?qū)�無害的DNA和外來DNA或在細(xì)胞遭受損傷和應(yīng)激期間釋放出的自身DNA區(qū)分開來。
 
作為一種DNA傳感蛋白，cGAS在微生物感染、細(xì)胞應(yīng)激和癌癥后啟動先天免疫反應(yīng)。一旦被雙鏈DNA激活后，細(xì)胞質(zhì)cGAS產(chǎn)生cGAMP，并觸發(fā)炎性細(xì)胞因子和I型干擾素（IFN）產(chǎn)生。
 
cGAS也存在于充滿基因組DNA的細(xì)胞核內(nèi)，在那里，染色質(zhì)參與限制它的酶活性。然而，染色質(zhì)抑制cGAS的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)仍然未知。
 
在一項新的研究中，來自瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院和巴塞爾大學(xué)的研究人員確定了人cGAS與核小體結(jié)合在一起時的分辨率為3.1埃的低溫電鏡（cryo-EM）結(jié)構(gòu)。相關(guān)研究結(jié)果于2020年9月10日在線發(fā)表在Nature期刊上，論文標(biāo)題為“Structural mechanism of cGAS inhibition by the nucleosome”。
 
cGAS與組蛋白H2A-H2B異源二聚體的酸性口袋（acidic patch）和核小體DNA廣泛接觸。結(jié)構(gòu)和互補(bǔ)生化分析還發(fā)現(xiàn)cGAS與第二個核小體反式結(jié)合。從機(jī)制上看，核小體結(jié)合將cGAS鎖定在單體狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，空間位阻抑制了基因組DNA對cGAS的錯誤激活。
 
這些研究人員發(fā)現(xiàn)，cGAS-酸性口袋界面上發(fā)生的突變足以在體外消除核小體對cGAS的抑制作用以及在活細(xì)胞中觸發(fā)cGAS在基因組DNA上的酶活性。
 
這項研究揭示了cGAS與染色質(zhì)相互作用的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，并確定了一個令人信服的機(jī)制，從而允許cGAS對基因組DNA進(jìn)行自我-非自我識別。
 
9、Science：揭示核小體抑制cGAS激活的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)
 
在所有哺乳動物中，環(huán)狀GMP-AMP合酶（cGAS）感知病原DNA的入侵，并刺激炎癥信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、自噬和凋亡。cGAS都是通過檢測處于錯誤位置的DNA來發(fā)揮作用的。在正常條件下，DNA被緊密地包裝在細(xì)胞核中并受到保護(hù)。DNA沒有理由會在細(xì)胞周圍自由移動。當(dāng)DNA片段確實最終逃離細(xì)胞核并進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)中時，這通常表明存在著一些不祥之兆，比如來自細(xì)胞內(nèi)的損傷或來自侵入細(xì)胞內(nèi)的病毒或細(xì)菌的外來DNA。
 
cGAS蛋白通過識別這種處于錯誤位置的DNA而發(fā)揮作用。在正常情形下，它在細(xì)胞中處于休眠狀態(tài)。但是一旦cGAS檢測到DNA存在于細(xì)胞核外面，它就突然起作用。它產(chǎn)生另一種化學(xué)物質(zhì)---一種被稱作cGAMP的第二種信使，從而引發(fā)一種分子鏈反應(yīng)，結(jié)果就是提醒細(xì)胞中的DNA異常存在。在這種信號級聯(lián)反應(yīng)結(jié)束時，細(xì)胞要么得到修復(fù)，要么因損壞到無法修復(fù)的地步，它就會自我破壞。
 
但是細(xì)胞的健康和完整性取決于cGAS能夠?qū)�無害的DNA和外來DNA或在細(xì)胞遭受損傷和應(yīng)激期間釋放出的自身DNA區(qū)分開來。
 
有人提出宿主DNA組裝成核小體可限制cGAS的自動激活，但是它的基本機(jī)制尚不清楚。
 
在一項新的研究中，來自日本東京大學(xué)、早稻田大學(xué)和美國洛克菲勒大學(xué)的研究人員報告了這種抑制的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。相關(guān)研究結(jié)果于2020年9月10日在線發(fā)表在Science期刊上，論文標(biāo)題為“Structural basis for the inhibition of cGAS by nucleosomes”。
 
這些研究人員解析出人cGAS-核小體核心顆粒（cGAS-NCP）復(fù)合物的低溫電鏡（cryo-EM）結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，兩個cGAS單體通過結(jié)合H2A-H2B的酸性口袋（acidic patch）和核小體DNA來橋接兩個核小體核心顆粒（NCP）。
 
在這種構(gòu)型下，cGAS激活所需要的所有三個已知的cGAS DNA結(jié)合位點都被重新利用或無法進(jìn)入，而且作為cGAS激活的另一個先決條件，cGAS二聚作用被抑制。讓將cGAS和H2A-H2B的酸性口袋連接在一起的關(guān)鍵氨基酸殘基發(fā)生突變可減輕核小體對cGAS激活的抑制。
 
總之，這項新的研究建立了一個結(jié)構(gòu)框架，解釋了為何cGAS在染色質(zhì)的自我DNA上受到抑制。