2018年结构生物学领域进展汇总

yinfuhua

2018年结构生物学领域进展汇总
3 }- O1 o, E5 h1 B- O# r来源：本站原创 2018-12-21 17:12- F- B6 N6 ~. a8 U: ^* F, z
2018年12月21日 讯 /生物谷BIOON/ --2018年即将过去，针对这一年来结构生物学领域的重大进展，本文进行了简要盘点，希望读者朋友能够喜欢。9 A0 m  ^2 m0 H( w4 K. F

2 k3 A& k( ]2 h7 W" y1. Nature：科学家成功捕获恶性疟原虫感染红细胞的关键复合体结构 有望开发出新型疟疾疫苗
" T  h) S6 ?+ t/ H2 @5 S
. G6 [2 C2 @; _0 HDOI: 10.1038/s41586-018-0779-6
! t2 e1 t, o8 E. t8 B
  k" W7 }, {1 h0 r
" z3 \9 ~8 P# ]4 d
: i! u9 N  d% l& \5 I近日，一项刊登在国际杂志Nature上的研究报告中，来自霍华德休斯敦医学院的科学家们通过研究成功观察到恶性疟原虫进入并感染人类红细胞所使用的特殊关键分子的清晰结构，相关研究结果或能帮助研究人员设计新型疫苗来抵御流行性疟原虫的感染。本文研究具有重大意义，因为疟原虫每年在全球会引发50多万人死亡，而且目前并没有有效的疫苗来抵御疟疾的感染。
/ t" D$ D+ `: o9 w& d( W: f1 v3 ?! [  G: Z( `1 R! }
感染的关键
7 D  R! U: z$ y2 m; U. I0 S/ S! f; N8 q7 p+ {1 s
利用获得诺贝尔奖的低温电子显微镜技术，科学家们首次获得了寄生虫诱发感染的关键部位的三维结构，这种关键部位是由疟原虫三种特殊蛋白质组成的复合体，即Rh5， CyRPA和Ripr三种蛋白，其能互相协作来解开并进入机体的红细胞。研究者表示，这种复合体对于疟原虫进入细胞并诱发感染非常重要，基于获得的最新研究信息，研究人员或许就能以一种更好的方法来靶向作用疟原虫的感染，因为如今他们已经阐明了疟原虫感染红细胞的分子机制。4 l# U' r% v0 ~0 K& u5 A
' ?0 o+ H% K* Z' L: G" v' Z
以较高地清晰度捕获这种关键蛋白复合体的第一张图像对于疟疾研究领域或许具有里程碑的意义，疟原虫进入红细胞后就能够加速生长、复制并且扩散，从而驱动感染者出现多种疾病症状，比如发烧、恶寒、乏力、腹泻和呕吐反应等，理解疟原虫进入红细胞的分子机制或能帮助研究人员开发新方法来阻断疟原虫感染人类机体以及其引发疾病和传播的周期。
4 Q( C+ U/ u. ^7 H3 `, F3 P4 K
首次观察到的结果/ @% W4 s0 d! ]& M5 n8 j

$ ~# v1 j3 {+ `3 _* x9 V这项研究中，研究人员通过对样本中的疟原虫DNA进行遗传工程化修饰，并提取Rh5和CyRPA两种蛋白质，同时结合生物技术公司ExpreS2ion所开发的第三种蛋白质Ripr进行联合研究；研究者Wong说道，利用冷冻电子显微镜技术我们就能够观察到Rh5/CyRPA/Ripr三种蛋白复合体的3-D图像信息，同时我们还能从不同的角度来获得多种复合体成像结构。
# F# z" d5 o. M' p
( o0 N8 H1 K1 K$ S在高性能计算技术的帮助下，研究人员还能将上述图像信息组合起来，首次揭示了一种高分辨率的Rh5/CyRPA/Ripr复合体3-D成像信息，相关信息对于疟原虫引发感染至关重要。6 b/ j0 d5 ?- [6 I, [1 C" t" i

2 H( M9 @+ H) u6 m8 a0 ?. D为开发新型疫苗提供新的思路
+ z& c# J. E! a
' v* s) C; P0 @/ h' x! ~2 d研究者Cowman教授说道，这种蛋白复合体的结构或能为研究人员提供关键的信息，帮助设计抵御恶性疟原虫感染的新型疫苗；目前我们正在利用相关信息来设计疫苗，从而给予机体免疫系统精准的指令来阻断疟原虫的感染。
% ?  Z0 p  k& G, A, Q4 j1 ^: c. C1 |* C
如果能够有效阻断疟原虫中蛋白复合体的产生，恶性疟原虫或许就无法有效对机体红细胞进行感染了。本文研究结果对于后期科学家们设计并开发多种抵御恶性疟原虫感染的新型疗法或能提供新的思路和希望。
" H% l2 i4 O1 Q3 c5 R& r, D0 N5 _+ I( M, c. c
: ^$ U% r; g4 t  c, `% ?
2. Nature：从结构上揭示细菌Tc毒素注射毒性物质机制) A$ v* X9 ?( O" h  h) ?- {
$ e3 w6 k  y9 [, m! q
doi:10.1016/j.cell.2018.08.033.
1 A/ T% s* X# @) N# c- V+ K; `9 x; \+ I3 Q/ P+ f1 e
! p* D0 p8 V8 u# I8 F* h: u! ^

" g) ~- ~% f% p9 I细菌已建立了各种感染有机体的策略并将它们作为营养物的来源。许多细菌利用它们分泌的毒素简单粗暴地刺穿细胞的外壳来破坏细胞膜。诸如鼠疫杆菌（Yersinia pestis）或来自沙门氏菌的其他细菌之类的人类致病菌产生了一种更为微妙的机制：通过使用一种特殊的毒素复合物来注入它们的毒性物质。
$ l" U8 l- p$ s7 h; Q# Q- g" J0 D. `5 z2 n
细菌毒素是最有效的天然毒物之一。最强的细菌毒素包括破伤风毒素和肉毒杆菌毒素（botox），当服用千分之一克时仍然是有毒性的。发光杆菌（Photorhabdus luminescens）、鼠疫杆菌以及沙门氏菌使用所谓的Tc毒素。Tc毒素由几种亚基（TcA、TcB和TcC）组成。在此之前，人们并不清楚这些组分如何一起发挥作用。
( H! N; ?! E5 W
0 j5 J" v6 b, n! k在一项新的研究中，来自德国马克斯-普朗克分子生理学研究所的研究人员利用低温电镜技术（cryo-EM）首次在近原子分辨率下解析出发光杆菌Tc毒素的三维结构。相关研究结果发表在2018年11月8日的Nature期刊上，论文标题为“Tc toxin activation requires unfolding and refolding of a β-propeller”。7 [: a0 _# Q6 T; Z5 D" c4 A

, @8 y# T# q1 a这种结构表明作为这种毒素的最大亚基，TcA是一种铃状结构，由一种外壳包围的通道组成。这种通道类似于带有六个叶片的螺旋桨。这种铃状结构的上端部分结合到由亚基TcB和TcC形成的一种毒素胶囊上。细胞膜表面上的受体识别这种铃状结构的下端部分，这样这种Tc毒素结合到细胞膜上。4 i' l. x2 x* V

' M, x2 k) @8 V1 t* m% v/ ~一旦周围介质的pH值发生变化，这种Tc毒素的外壳就会打开，从而暴露出它的通道。受到这种毒素胶囊保护的一种在维持在高压下的蛋白链就会迅速反弹并推动这个通道穿过细胞膜，就像注射器里的针头注射毒素一样。这种蛋白链是一种酶，能催化细胞骨架凝结，从而导致细胞死亡。
) U: x3 k' |# I% b7 d: k; O7 X( U( [: N; t
要想充分理解细菌如何注射这种毒素，这些研究人员仍然缺少最后一个细节。他们需要了解这种Fc毒素是如何受到控制的。通过与来自马克斯-普朗克生物化学研究所的Manajit Hayer-Hartl研究团队合作，他们解决了这一点。他们着重关注一种也称为“门卫（gatekeeper）”的小发夹结构。这控制着毒性物质从TcA亚基的通道中出来。当这种毒素胶囊与TcA的通道结合时，这个边界区域发生结构重组：这种分子门卫将自己从这个螺旋桨的中心拧下，这就暴露出这个螺旋桨的中心开口，这样这个中心开口就与TcA亚基的通道准确地连接在一起。他们还能够证实这种毒性酶在毒素胶囊中的存在是形成这个完整的毒素复合物所必不可少的。这指出了一种可能的控制机制，从而确保TcA亚基结合到满载着毒性物质的毒素胶囊上。1 B7 x5 ^4 H8 ~7 h9 [6 Q

0 I) S" M  r$ d/ n- u( f; ~揭示这种细菌感染机制有助于更好地了解人类致病菌的作用方式。这种新获得的关于Tc毒素注射的特殊机制的见解可能作为开发创新治疗方法的起点。
( S8 {* I1 _  E
, |) i; l6 a/ e% u- n
) [6 B" _& B4 G2 J1 g) K3. Science：重大突破！我国科学家从结构上揭示酵母核糖核酸酶P加工tRNA前体机制0 o  R& T, D- a. D: n0 N- o6 n* O, r

+ r) D# v1 p& U9 e3 R5 f3 X+ _: Ldoi:10.1126/science.aat6678.% m8 t3 O, D0 X. \1 I) @7 m
doi:10.1126/science.aav4743.
! u/ ~0 `0 z5 x) k) u8 z
$ P# Y' l* Y  i" i# Y5 v! }' Y1 J* e& J. ]7 Q+ c/ i  {

% i' D6 D- c3 C6 t) l& k3 j8 J7 f3 g作为一种通用酶，核糖核酸酶P（RNase P）是一种通用核酶，已在生命的三个王国中发现。它加工tRNA前体（pre-tRNA）的5'端。RNase P是一种核糖核蛋白复合物，由单个具有催化能力的RNA组分和可变数量的蛋白组成。与仅含有一种小蛋白辅因子的细菌RNase P不同的是，古细菌RNase P和真核生物细胞核中的RNase P已进化出相当复杂的蛋白亚基：古细菌中有5种蛋白亚基，真核生物中有9～10种。这种tRNA前体加工反应可通过包括四个不同事件的动力学反应机制来加以描述：（1）RNase P (E)快速地和可逆地结合到pre-tRNA (S)上，从而形成一种初始的RNase P-pre-tRNA复合物（ES）；（2）一种构象变化让这种ES复合物以一种镁离子依赖性的方式发生异构化而产生一种具有催化能力的构象异构体（ES*）；（3）切割磷酸二酯键；（4）pre-tRNA的5'端前导序列快速解离下来，让成熟tRNA限速释放。8 F% G' l7 [  A% N
  A% T) X/ ^' `; u0 ?
然而，尽管进行了广泛的生物化学和遗传学研究，但是对真核生物细胞核中的RNase P而言，它的蛋白组分的作用以及这些蛋白组分复杂性增加的原因仍然是未知的。仍然未知的是，作为底物的 tRNA前体，尤其是它的5'端前导序列，如何被真核生物RNase P识别；在催化上起着重要作用的镁离子在活性位点中是如何配位的；什么化学机制是切割pre-tRNA 5'端的化学机制是什么。高分辨率的真核RNase P结构是解答这些关键问题所必需的。4 V7 ~* k% I6 g, v7 Q' q, n. H

- o/ p+ d, c9 d- V! q在一项新的研究中，来自中国上海交通大学医学院、中国科学院生物化学与细胞生物学研究所、中国科学院大学、中国科学院大连化学物理研究所、上海科技大学和中国科学技术大学等研究机构的研究人员报道了酿酒酵母RNase P全酶独自时以及与pre-tRNAPhe结合在一起时的分辨率为3.5 Å的低温电镜结构。相关研究结果发表在2018年11月9日的Science期刊上，论文标题为“Structural insight into precursor tRNA processing by yeast ribonuclease P”。! a) k- h3 e& [& R/ W& ~: N

* k" H9 P5 J; r9 J; R' x这种酵母RNase P全酶由一个具有催化能力的RNA （即Rpr1）和9个蛋白组分组成。Rpr1 RNA采取一种延伸的单层构象。这种单层构象维持一种中央螺旋核心，但缺乏大多数让细菌RNase P保持结构稳定性所必不可少的长程RNA-RNA相互作用。这些蛋白组分形成相互连接的钩形结构，这种钩形结构紧紧地缠绕在Rpr1 RNA的周围，从而将酵母RNase P稳定为一种“测量设备（measuring device）”。这种“测量设备”具有两个固定锚用于识别底物pre-tRNA的L形结构而不是特定序列。  B% i7 ^' P) P$ M/ B+ M9 M2 S
' j. y( D* ?- }+ _' I
这种“测量装置”介导与pre-tRNA的初始结合以形成低亲和力的ES复合物。对tRNA前体的5'端前导序列的识别涉及Rpr1 RNA和蛋白亚基Pop5。两个在催化上起着重要作用的镁离子在由Rpr1的高度保守性尿苷U93和磷酸骨架组成的催化中心中与pre-tRNA的易切割的磷酸根离子和O3'离去基团配位在一起。这种基于RNA的催化中心的构型在从细菌到真核生物的所有RNase P中都是普遍保守的。pre-tRNA结合诱导这种催化中心发生显著的构象变化，这对应于产生ES *状态的异构化步骤。此外，这些研究人员通过模拟分析可视化观察到pre-tRNA的磷酸二酯键水解在机制上的细节，其中这种磷酸二酯键水解是一种由两个镁离子介导的双分子亲核取代反应（SN2 reaction）。# D, h4 J) q7 U! V

, _: G" H# u. o7 S! y$ E" M综上所述，这项研究中解析出的酵母RNase P结构代表着在机制上理解真核生物RNase P的功能方面迈出的重要一步。这些数据支持所有的RNase P都具有一种基于RNA的底物诱导的pre-RNA加工机制。尽管细菌RNase P RNA本身具有催化活性，但是真核生物RNase P是一种受到蛋白控制的核酶，它的蛋白组分不仅直接参与底物识别，而且还让具有催化作用的RNA稳定在一种最适合于pre-tRNA结合和裂解反应的构象中。
, |3 W4 j- b$ q9 J
3 u+ T) f0 A. F& O0 c+ G3 ~' Z, S, C) e% {5 P( z
4. Cell & Nat Genet：首次阐明癌症相关蛋白复合体的结构 有望开发治疗多种人类疾病的新疗法. l" p+ F  Q% r; N+ ]8 }

- ?- p. p& [; b4 O! JDOI: 10.1016/j.cell.2018.09.032
. z6 S$ o0 h: F, O# w: E! @doi:10.1038/ng.2628
6 h' l' _9 A- W0 x: Z3 }& Z
* V4 N4 A  }, Q5 p2 w; }- B9 T' `& }* @* u/ x2 b0 ~  t3 ^
0 k9 Y! z" |  D0 {
2013年刊登在Nature Genetics杂志上的一篇研究报告中，来自博德研究所的科学家们通过研究发现，大约20%的人类癌症都与一类名为BAF的蛋白发生突变有关，BAF是一种特殊的蛋白复合体，其与机体智力障碍和自闭症谱系障碍发生直接相关，然而目前研究人员并不清楚这种蛋白复合体的精细结构以及其如何诱发人类疾病的。, w+ V5 L# k% X/ [  f9 s# |

" S# [8 Z6 P/ F9 [. ]3 W- C近日，一项刊登在国际著名杂志Cell上的一篇研究报告中，来自哈佛大学医学院等机构的科学家们通过研究阐明了BAF蛋白复合体各个部分是如何结合在一起的，相关研究或为后期科学家们开发治疗疾病的新型药物提供思路和希望。; r' S3 A. Z3 M. {( m

0 M6 V, N& H) E, P' n" m6 z- v研究者Kadoch说道，这项研究中我们克服了科学家们在人类疾病突变以及药物发现上所面临的主要障碍，文章中我们解析了BAF复合体的结构特性和组装机制，而了解该蛋白复合体的结构对于理解其功能至关重要。BAF复合体能控制染色质的结构并且调节基因的活性，研究人员首次在酵母中发现BAF复合体，随后在果蝇和哺乳动物机体中相继发现该复合体。( V8 b3 n# U3 a2 c6 [' \

& t2 W! O% I) P1 h; O5 j) @0 I0 g这项研究中，研究人员阐明了多个BAF复合体蛋白组分的结合模式，以及其如何在细胞中组成三种不同的复合体，研究者Kadoch说道，如果你不得不组装一套宜家夹具的话，你或许需要将各个零配件按照一定的装配顺序进行组合，这项研究中我们首次提供了BAF复合体的组装路线图，并且列出了单独的元件，也就是说，按照既定的路线图对单独的元件进行组装就能构建出BAF复合体。, N& a. D7 v$ Z  ?2 Q5 g# `
% `/ z: k: T& ?: q# U
除了阐明BAF的具体结构外，研究人员还阐明了与该复合体相关的一系列致病突变给人类机体带来的生化效应；研究者Nazar Mashtalir表示，组成BAF复合体的单一蛋白的结构错误会干扰复合体的组装，从而影响基因表达导致疾病发生；我们希望后期能够基于本文研究结果进行更为深入的研究，来阐明一系列与疾病相关的突变，并且为开发新型疗法提供新的思路和线索。) i- H" R" k8 J* g: K( T( F" m

! s- z0 c6 M& E7 w! r1 G
! [" D, J0 h$ |. w5. Science子刊：改写教科书！重新确定抗体IgM的结构
2 \$ B2 |* S8 ~/ v. L
9 B# t$ {7 M$ k6 Rdoi:10.1126/sciadv.aau1199.
! B$ @$ y, d3 l: g" s" R3 X9 V4 `( r: s/ w% F6 v

4 H" ^6 j* Z- D: c) {( r1 \, V* {' s8 ]% I+ `7 y! L
在一项新的研究中，来自日本东京大学的研究人员通过利用计算机图像分析和现代的电子显微镜成像揭示了一种至关重要的称为免疫球蛋白M（IgM）的免疫蛋白的结构，从而为未来开发出针对从癌症到神经系统疾病的一系列疾病的更加有效的药物提供了可能性。相关研究结果发表在2018年10月10日的Science Advances期刊上，论文标题为“The IgM pentamer is an asymmetric pentagon with an open groove that binds the AIM protein”。论文通信作者为东京大学的Toru Miyazaki和Satoko Arai。2 b2 Z0 v! T& M$ K5 j: s$ T8 v
. G! M* U7 t$ u9 J8 E9 e& }9 r- q
IgM是免疫系统的一个重要的组成部分。这些研究人员利用IgM的人类版本和小鼠版本对天然的IgM的结构进行了验证。他们认为IgM如今应当被理解为形状像不完整的六边形，或者像是有楔形缺口的五边形。Miyazaki说，“我们将不得不改写教科书。”
  A2 M0 ^, r/ y' U7 }9 P
! g; Y0 a2 Q) i: LIgM是首个在人类胎儿中产生的免疫系统蛋白，并且在一生当中始终首先对病原体入侵作出反应的蛋白分子。 IgM的结构于1969年首次被确定为“五角星形状的桌子（five-pointed, star-shaped table）”，并于2009年更新为五面圆顶（five-sided dome）或“蘑菇形帽（mushroom cap）”。
% T$ h" p! y' L0 \) H4 @1 N2 L; {1 q* K3 A5 n& I
Miyazaki说，“最初的IgM结构模型是通过低分辨率的显微镜观察几个IgM分子构建出来的。如今，我们有了更清晰的图片，而且计算机能够研究成千上万个IgM分子。”当Miyazaki当初还是一名医学博士时，他的研究生涯就研究了一种不同的称为巨噬细胞凋亡抑制因子（apoptosis inhibitor of macrophage, AIM）的蛋白。
- X4 L$ H, n' q
( e! ?4 L/ S* S, f由于确定了IgM的正确形状，这些研究人员如今了解到没有活性的AIM位于IgM的不完整六边形的空隙内。IgM和AIM之间的结构关联性意味着具有调节AIM释放能力的药物可能被用来开发基于AIM的疾病治疗方法。当其他的分子激活免疫系统时，IgM会释放AIM。尺寸较小的AIM蛋白在体内循环，以便清除受损的细胞和阻止疾病产生。
: r& [; k8 ~: K$ i2 Y5 y( G; [! I  T* i
1999年，Miyazaki在瑞士巴塞尔免疫学研究所工作时就已鉴定出AIM。它的小尺寸意味着AIM很容易通过肾脏从体内排出并进入尿液中，因此与较大的IgM结合在一起可保护AIM在需要之前不被清除。
; h% P3 v$ G1 K
3 P) ^# U& t3 x1 HAIM是血液中的一种常见的分子，但是它仅在身体发病时才是有活性的。已知AIM在预防肥胖、脂肪肝疾病、肝细胞癌、多发性硬化症、真菌诱导性腹膜炎和急性肾损伤中起着重要的作用。5 F+ s5 a& p6 W% T! F1 H% o
  u+ J) o, x. k* \# |) ?2 f
这种不完整的六边形结构仍然只是对IgM结构的二维理解。Miyazaki和他的团队继续开展进一步的分析，并希望尽快地报道IgM的三维结构。: v' _/ d4 M- E, D3 Y6 I3 r# I
1 Z/ j& V+ `  [; Y6 y

6 A6 n4 T3 o3 e; d6. Nature：解析出与皮克病相关的tau蛋白细丝的结构- K+ U; e' P$ I$ ~% w

' l( M0 a/ N! u  G2 z0 Idoi:10.1038/s41586-018-0454-y.
- B1 B, i5 n2 |1 M: }
, M9 Q# Z+ C( u. F8 n
! G# q6 e! ?3 n2 H. C1 g1 l9 h/ ^9 d# ^3 C* ?6 L
在一项新的研究中，来自英国医学研究理事会分子生物学实验室和美国印第安纳大学医学院的研究人员解析出皮克病（Pick's disease）患者中的tau蛋白细丝（tau filament）的结构。相关研究结果近期发表在Nature期刊上，论文标题为“Structures of filaments from Pick’s disease reveal a novel tau protein fold”。1 n+ X% O: k* [/ w  H  T
神经疾病通常以大脑中的tau蛋白错误折叠为特征，这种错误折叠会导致神经元破坏。之前的研究已发现人脑中有六种tau蛋白异构型，并且这些tau蛋白异构型都是正常的神经元活动所必需的。由于未知原因，这种蛋白有时会不正确地折叠，这导致更多的错误折叠的级联效应，从而导致tau蛋白细丝产生，而且这种级联效应是导致神经元变性的原因，与此同时它也导致大多数患者死于神经系统疾病。在这项新的研究中，这些研究人员一直在努力确定这些参与这类疾病产生的发生错误折叠的tau蛋白的结构，并且希望能够理解为何tau蛋白会发生错误折叠，并且可能找到一种阻止它发生的方法。最近，他们宣布他们已解析出与阿尔茨海默病相关的tau蛋白细丝的结构。在这项新的研究中，他们如今解析出与皮克病相关的tau蛋白细丝的结构。皮克病是一种退行性神经系统疾病，会导致额叶中的神经元破坏。
, M) M, Z% g/ E) X! T& i+ J3 d" B" {
在六种tau蛋白异构型中，三种异构型具有一种由四个微管结合重复序列（microtubule-binding repeat）的结构（4R tau），另外三种异构型具有一种由三个微管结合重复序列（microtubule-binding repeat）的结构（3R tau）。tau蛋白细丝能够具有这两种结构（4R tau和3R tau）或者这两种结构中的任一种。这些研究人员发现，与皮克病相关的tau蛋白细丝仅含有3R tau，而且它们在形状上是新的，与在阿尔茨海默病患者中发现的那些tau蛋白细丝细胞存在着不同。在这项新的研究中，这些研究人员使用了低温电镜技术，在这种技术中，先将样品在低温下冻存，然后用电子显微镜进行检查。这一发现提供了证据支持一种观点，即神经系统疾病的差异可能是由于tau蛋白细丝结构的差异。2 E6 M9 ]' q' F1 H( O' l3 p9 f

1 K7 s% a( k) ~/ `5 L; N5 |, v% V& R1 y, `( U! ~( p
7. Cell：首次解析出CRISPR-Cas13d的三维结构，有助揭示它的RNA靶向机制& T$ w8 ^* J' E( T5 e  i- `" ]1 B% P

* J5 g; l/ {# l1 {doi:10.1016/j.cell.2018.09.001.) o) C7 O9 B& J( }, z

" a: s$ [2 `* D* a# I6 ?- R* j$ t! E7 x3 g- s

9 Q* f, O8 R# E8 y源自最初在细菌中发现的基因，CRISPR被描述为“分子剪刀”。它将一段遗传密码换成另一段遗传密码。在CRISPR-Cas9系统中，Cas9是切割DNA的酶。) v  K/ Q& q1 X/ ?1 b# Y$ x
" R1 n6 t. h6 L% g7 F, `- M
在过去几年中，CRISPR-Cas9已走出了实验室工作台，进入了公共的时代思潮。这种基因编辑工具CRISPR-Cas9有望校正个体细胞内的缺陷，并有可能治愈或阻止许多人类疾病。但是CRISPR-Cas9系统让DNA而不是RNA发生变化，而且一些专家认为能够对RNA进行修饰可能同样是有用的。拥有针对RNA的编辑工具将允许科学家们修改基因的活性，但不会对基因本身造成永久性的和潜在危险的变化。
: i) k' o2 k: p0 Z
/ \, \9 Y/ _( Q8 ?再者，DNA是不变的，但是由DNA转录产生的RNA信息总是在发生不断变化。能够通过直接控制RNA来调节这些信息对细胞命运的影响具有重要的意义。! |' V1 q3 m# T- ]1 A
0 e) Q0 b/ V& I9 R7 v% r: @7 g
如今，在一项新的研究中，来自美国沙克生物研究所的研究人员首次解析出CRISPR-Cas13d的详细分子结构。CRISPR-Cas13d是新兴的RNA编辑技术中的一种有希望的酶。他们能够利用低温电镜技术（cryo-EM）可视化观察这种酶，其中cryo-EM是一种前沿的技术，让人们能够以前所未有的细节捕捉复杂分子的结构。相关研究结果发表在2018年9月20日的Cell期刊上，论文标题为“Structural Basis for the RNA-Guided Ribonuclease Activity of CRISPR-Cas13d”。论文通信作者为沙克生物研究所的Patrick D. Hsu和Dmitry Lyumkis。论文第一作者为沙克生物研究所的Cheng Zhang和Silvana Konermann。
- X8 G' v0 K% y) h$ O. n& E! o& x5 Q  Q
Lyumkis说，“这篇论文提供了RNA靶向基因工程的一种分子蓝图。它增加了开展这种类型的重要的生物医学研究所需的工具的广度。”2 R  ?9 n$ m! L, H& B' R) k

" y9 r% L! \% _, t今年早些时候，Konermann和Hsu在一篇发表在Cell期刊上的论文（Cell, doi:10.1016/j.cell.2018.02.033）中发现了CRISPR-Cas13d，并且报道这种新型CRISPR系统有效地识别和切割RNA。他们还证实在来自一名痴呆症患者的细胞中，这种工具能够被用来校正致病性的蛋白不平衡（相关生物谷新闻报道参见：Cell：重磅！发现靶向RNA的CRISPR/CasRx）。7 c% ?0 q. O3 E$ w

  s& y3 k# z" V6 W' d在这项新的研究中，这些研究人员通过让CRISPR-Cas13d在不同的动态状态下冻存，并利用cryo-EM解析出这种酶的新的结构细节，从而能够破解它的一系列活性，而不是仅在一个时间点观察到一种活性。
$ d7 f& J9 U* M7 W, D: r' A/ Q( F$ U! Y9 R/ J' @+ ~4 r
Zhang说，“这能够让我们观察到Cas13d是如靶向和结合RNA的。我们希望这些新知识能够帮助扩展基因编辑工具的功能。”- o/ k* A% R% E0 l) `0 l) T3 Y

4 b3 j% g# z" @! N, _
, ]% R' n/ @- Q: Z1 o8. Nature & Science：冷冻电镜技术揭示Hedgehog信号复合体的结构1 k" J7 X' H; c& c) |
+ o! T/ U5 s* j3 l
DOI: 10.1126/science.aas8843
) U6 [+ a( ~. v, _+ E5 Q0 oDOI: 10.1038/s41586-018-0308-7
$ e" X  S, J1 N/ H! ?# r) a/ D% `$ V9 o8 }" Y& R) @

: @$ @, _% G" E0 L5 |2 _" x% b
- U9 ~( Q& \# B  q) DHedgehog信号通路对于胚胎细胞的发育具有重要的作用，该信号的缺失会导致先天性缺陷的发生。然而，对于多数癌症。例如基底细胞癌、脑癌、乳腺癌以及前列腺癌来说，该信号的强度却失去了控制。
" |  I: b% B9 E! u
. `- ?/ Z! ?; m冷冻电镜技术的发展帮助我们揭示了Hedgehog信号的分子机制。通过对蛋白结构的进一步认知，能够帮助我们开发靶向该信号的药物分子。1 G) F5 v% ?8 i4 v2 Z

$ O" R3 G3 P* g& Z2 `) ~* K在最近发表在《Science》杂志上的一篇研究中，来自西南医学中心以及洛克菲勒大学的研究者们解析出了原子水平的蛋白结构。研究结果显示，两个PTCH-1分子能够同时结合一个Hedgehog（HH）分子，但结合位点处于不同的部位。这一结合方式对于该信号的传递是十分必要的。
/ X; R/ P* B, W/ S+ q2 R! K: h" o- r
( u5 d9 q$ i$ |& B+ t* V冷冻电镜的好处在于能够将样品温度降至足够低，从而不会有冰晶的产生。这一技术对于观察分子结构具有很大的帮助。3 `. L, r) I( G6 x

3 ?$ U" C' F4 Y+ u2 j; \8 n在上个月发表在《Nature》杂志上的文章中，作者等人利用冷冻电镜技术解析了PTCH1与HH一对一的结合结构。生化检测结果表明这种结合方式并不能充分地释放其活性。+ s) U# F- p, Z+ f& w1 {/ H; J

' C/ W  n* I8 S7 v$ X# b“在最近的这篇文章中，我们发现PTCH1与HH二对一的结合方式。即一个HH分子通过其表面两个不同的表位分别于两个PTCH1进行结合。细胞生物学检测结果验证了这种结合方式对于信号的产生以及传递的重要性。与之前的文章结合，我们希望这些结构有助于研究者们对该领域的认知的进一步深入”，作者们说道。/ v) u, D7 \3 ^4 F- F

0 K- N4 N, [5 `+ s" P
6 G) Y7 S( B9 e4 v/ C& @9. Science：重大突破！我国颜宁课题组从结构上揭示人Ptch1蛋白识别Shh机制
( @4 d$ @  D% t, v. V0 i( K: @) h3 X, ?( ~
doi:10.1126/science.aas8935.' j% V6 R( l2 K/ D

% n6 O. i4 Y8 T" n1 y+ ?$ w' `+ W+ q9 F" q
9 Y7 c4 W3 _' V. {7 F% g4 n
Hedgehog（Hh）通路对胚胎发生和组织再生是至关重要的。Hh信号是通过分泌的和脂质修饰的蛋白Hh结合到膜受体Patched（Ptch）上而被激活的。在缺乏Hh的情况下，Ptch通过一种未知的间接机制抑制下游的G蛋白偶联受体Smoothened（Smo）。
. n3 c) D7 G5 Y; l' }0 P; u# V" I" ?
Hh与Ptch的结合减轻了对Smo的抑制并且开启让Hh通路遭受转录激活的信号转导事件。Hh信号异常与出生缺陷或肿瘤发生有关。尽管进行了严密的研究，Hh、Ptch和Smo之间相互作用的分子基础仍是不清楚的，而且Ptch和Hh之间识别的结构基础还有待阐明。
: ]4 W9 F7 y) c  ~. R  z$ D6 k- }9 Y- ^, O! V
经预测长1447个氨基酸残基的人Ptch1蛋白含有12个跨膜区段（TM），并且与细菌RND家族转运蛋白（resistance-nodulation-division family transporter, RND家族转运蛋白）存在着结构类似性。Ptch1的跨膜区段2（TM2）至TM6构成固醇敏感多肽区（sterol-sensing domain, SSD）。人们已在几种参与固醇转运和代谢的蛋白中发现了SSD。这些含有SSD的蛋白的潜在固醇结合或转运活性的分子机制仍然是不清楚的。
) u3 w+ i( K% S! _
- X8 b# C, O$ e  }/ b在一项新的研究中，为了获得适合于结构研究的样品，来自中国清华大学的研究人员基于序列保守性和功能表征获得几种人Ptch1的构建体。最终，在人胚胎肾293F细胞中瞬时表达的含有氨基酸残基1～1305的人Ptch1截短版本在亲和层析纯化和尺寸排阻层析纯化后表现出足够的表达水平和良好的溶液行为。他们还观察了Ptch1的寡聚体状态和单体状态。Ptch1的单体形式可适用于单粒子低温电子显微镜分析，这是因为它在低温条件下具有优异的性能。相关研究结果发表在2018年8月10日的Science期刊上，论文标题为“Structural basis for the recognition of Sonic Hedgehog by human Patched1”。论文通信作者为清华大学医学院教授颜宁（Nieng Yan）博士。
& w: }8 i! f+ I
8 R( J+ W. a: h+ C在三种哺乳动物Hh同源物Sonic（Shh）、Desert（Dhh）和Indian（Ihh）中，Shh一直是功能和机制研究的原型。在大肠杆菌中表达和纯化的人Shh的N-端结构域（ShhN, 氨基酸残基24～197）能够在胆固醇琥珀酸单酯（cholesteryl hemisuccinate, CHS）的存在下与去污剂溶解的Ptch1蛋白形成一种稳定的复合物。
  _8 {7 X1 ?8 Z1 m+ ?. x
4 B+ m4 q. q, S$ g* ~1 a$ L颜宁课题组分别在3.9埃分辨率下和在3.6埃分辨率下解析出人Ptch1单独时以及它与ShhN结合在一起时的低温电镜结构。他们识别出两个相互作用的胞外结构域ECD1和ECD2，以及12个跨膜区段（TM1～12）。一旦ShhN结合，ECD1和ECD2向彼此移动，而且它们一起构成ShhN的停靠位点。颜宁课题组对ShhN与Ptch1之间的详细识别进行了分析和生化验证。
2 D: M& C, @: Y; S5 {. O. J+ C- j1 K% m8 d
在具有或不具有ShhN的Ptch1中观察到两个与CHS相一致的类固醇密度（steroid-shaped density）：一个在由这两个胞外结构域包围的口袋中，另一个在SSD的膜面向的腔中。基于结构的生化分析揭示出ShhN和Ptch1之间的类固醇依赖性相互作用。相比于野生型Ptch1，类固醇结合缺陷型Ptch1突变体的结构表现出显著的构象重排。( O6 j% I, L! i! P+ q. \  d
# P% ~- m4 S- A  F! e! W
总之，人Ptch1单独时及其与ShhN结合在一起时的结构揭示出Ptch1和ShhN之间识别的分子基础。在Ptch1中鉴定出两个类固醇结合位点为在未来研究Hh信号建立了重要的框架，并对含有SSD蛋白的固醇感知提供了关键见解。5 i; }+ r& V: Q* j

+ t! t) M# H! ]3 ~, ^10. Cell：重磅！首次破解人cGAS的三维结构，揭示它为何识别长片段DNA同时忽略短片段DNA
' f# o- E/ I$ O" i9 t
- @/ N2 B. h, a
# _8 S: V6 u/ z( ^' }$ F; v( t% d' t. w' w) i. q4 M: y& b
人体是为生存而建造的。人体中的每一个细胞都受到一组免疫蛋白的严密保护，而且这些免疫蛋白装备了几乎万无一失的雷达来检测外来的或受损的DNA。2 R0 r9 t, l% O, i! \0 X5 s

0 y/ s6 v3 W/ g, o' ~人细胞中的一个最为关键的哨兵是一种被称作cGAS的“第一响应者”蛋白，它检测外来的和发生癌变的DNA的存在，并启动一种信号级联反应，从而触发身体防御。; a, a1 }2 a9 T/ u) @
; }3 @3 s3 `% y; h
2012年蛋白cGAS的发现引发了科学探究的风暴，迄今为止，科学家们已针对它发表了500多份研究出版物，但是人cGAS蛋白的结构和关键特征仍然困扰着科学家。
; f4 M9 Y# ]! B- L1 w4 c' v" ]: ?
如今，在一项新的研究中，来自美国哈佛医学院和达纳-法伯癌症研究所的研究人员首次鉴定出人cGAS蛋白与其他哺乳动物中的GAS蛋白之间的结构差异和功能差异，并揭示出它在人体中发挥独特功能的结构基础。这项研究概述了人cGAS蛋白的结构特征，这些结构特征解释了人cGAS为何和如何识别某些类型的DNA同时忽略其他类型的DNA。相关研究结果发表在2018年7月12日的Cell期刊上，论文标题为“Structure of the Human cGAS–DNA Complex Reveals Enhanced Control of Immune Surveillance”。( ^9 r% I7 Y) y% R

" L( T2 o0 ]. x! t3 i) ^论文通信作者、哈佛医学院/达纳-法伯癌症研究所微生物学与免疫生物学助理教授Philip Kranzusch说，“人cGAS的结构和作用机制一直是免疫学和癌症生物学领域中的一个关键的缺失部分。我们的研究结果详细阐述了人cGAS的分子组成和功能，从而弥补了我们的知识中的这个重要的缺口。”
, q- k* U- Z3 a* j: K- N
7 y+ U% R( C% R# z! d6 G重要的是，这些研究结果能够为设计适合人cGAS蛋白的独特结构特征的小分子药物提供了信息---这一进展有望改进当前作为抗癌疗法正在开发中的精准cGAS调节药物。# c, H& o, }5 j  a; N- d

% \) c$ U/ l2 sKranzusch说，“当前正在开发中的几种有前途的实验性免疫疗法是针对小鼠cGAS的结构而被开发出的，它与人cGAS存在着关键的结构差异。我们的发现应该有助于优化这些实验性疗法并促进人们设计出新的疗法。这将为结构导向地设计调节这个基础蛋白活性的药物铺平道路。”% t  q# F8 T8 H: \

$ j0 F7 A/ j( f6 k  fKranzusch团队的研究结果解释了人cGAS蛋白的一个独特特征---相比于其他动物中的cGAS蛋白，它能够高度选择性地检测某些类型的DNA而且它更不容易被激活。
1 v- @+ h0 m, t% o2 T# W" l
! z9 D" E: s5 s3 Z2 f具体而言，这项研究表明人cGAS携带的突变使得它对长片段DNA非常敏感，但是也让它对短片段DNA“不敏感”。
8 e% j" x- I1 Z  [* I! E2 t0 [- l, g* l7 m) z/ J+ B, C. S$ H9 N
论文共同第一作者、哈佛医学院微生物学与免疫生物学系博士后研究员Aaron Whiteley说，“人cGAS是一种高度选择性的蛋白，它已进化出更强的DNA特异性。我们的实验揭示出这种能力的基础。”
; e# i2 o  L& k! X5 Q+ z2 k2 y1 X+ Y, \9 Y6 W
在所有哺乳动物中，cGAS都是通过检测处于错误位置的DNA来发挥作用的。在正常条件下，DNA被紧密地包装在细胞核中并受到保护。DNA没有理由会在细胞周围自由移动。当DNA片段确实最终逃离细胞核并进入细胞质中时，这通常表明存在着一些不祥之兆，比如来自细胞内的损伤或来自侵入细胞内的病毒或细菌的外来DNA。4 p1 h3 T# l( G
) r0 ~2 u" }: D) _$ m
cGAS蛋白通过识别这种处于错误位置的DNA而发挥作用。在正常情形下，它在细胞中处于休眠状态。但是一旦cGAS检测到DNA存在于细胞核外面，它就突然起作用。它产生另一种化学物质---一种被称作cGAMP的第二种信使，从而引发一种分子链反应，结果就是提醒细胞中的DNA异常存在。在这种信号级联反应结束时，细胞要么得到修复，要么因损坏到无法修复的地步，它就会自我破坏。: h4 c- z) y, i# J* L& z
9 h8 s* k. J# w, M* q& S  y
但是细胞的健康和完整性取决于cGAS能够将无害的DNA和外来DNA或在细胞遭受损伤和应激期间释放出的自身DNA区分开来。
' l( Y- y/ X9 `% w) L7 X, G' k5 C  }
论文共同第一作者、哈佛医学院/达纳-法伯癌症研究所博士后研究员Wen Zhou说，“这是一种很好的平衡行为，可确保免疫系统保持平衡。过度活跃的cGAS能够引发自身免疫反应或自我攻击，而未能检测到外来DNA的cGAS能够导致肿瘤生长和癌症进展。”
2 b, f# a" `2 i
9 e5 o% K3 k5 W5 v! r这项新的研究揭示出这种蛋白结构的进化变化，从而允许人cGAS忽略它遇到的一些DNA，同时对它遇到的其他DNA作出反应。4 z0 ?' `8 s* C, I+ Y* g* F" m

* k9 H- _( w" f, v. [就这项新的研究而言，这些研究人员的研究对象是霍乱弧菌（Vibrio cholerae）。这种细菌会导致霍乱，也是人类最古老的祸害之一。' k# p+ X! s2 ^, o$ [
% r* b) ]9 u8 ~
利用一种与cGAS具有相似性的霍乱弧菌酶，这些研究人员能够在这种细菌中重建人和小鼠cGAS蛋白的功能。# Z+ c! B; j& C- K% l5 S

3 n0 y( f  Q3 L0 t" p* e通过与来自哈佛医学院细菌学家John Mekalanos实验室的同事们合作，这些研究人员设计出一种嵌合或杂合形式的cGAS，它包括来自人类和小鼠cGAS的遗传物质。随后，他们将这种杂合cGAS识别DNA的能力与完整的人cGAS和小鼠cGAS的识别能力进行比较。/ C, ]7 i4 n' \) Q0 X& N5 f6 I- X

( L* i( ^. m0 k3 d$ i' f, d在一系列实验中，这些研究人员观察了这些不同类型cGAS之间的激活模式，并逐步缩小导致这三者之间存在不同DNA激活模式的关键差异。 7 s# M% @/ h  @! D
& k3 b( x: f5 w+ ~+ p2 s
这些实验表明在人类和小鼠cGAS中存在差异的116个氨基酸中，仅两个氨基酸导致人cGAS的功能变化。确实，人cGAS能够高精度地识别长片段DNA，但它会忽略了短片段DNA。相反，小鼠cGAS不能区分长片段DNA和短片段DNA。
8 M5 H7 v6 n1 L+ [+ P
# O. s7 u# l/ v, e/ hWhiteley说，“这两个微小的氨基酸发挥着如此重大的作用。它们让人cGAS具有高度选择性，仅对长片段DNA作出反应，同时忽略短片段DNA，这就使得人cGAS更能耐受DNA在细胞质中的存在。”/ x7 R, {( x- J4 ^

2 {# O' {) \& L9 O" Q4 X# J  ^  ^: P# q通过在进化时间尺度上绘制遗传分歧，这些研究人员确定人类和小鼠cGAS基因在1000万到1500万年前的某个时间分开。* I# J: ]2 `6 j& E( ~- F" @3 @5 ?

2 {4 R3 c2 y1 n- _7 [+ m6 A负责检测长片段DNA和耐受短片段DNA的这两个氨基酸仅在人类和非人灵长类动物（比如大猩猩，黑猩猩和倭黑猩猩）中发现到。. a. t0 M& {  U7 W# y

9 V+ K6 J9 V* v9 e* I  m' d4 \, R这些研究人员猜测忽略短片段DNA但识别长片段DNA的能力必定会带来一些进化上的好处。
* |" S' \# |4 M/ i/ Q/ a$ V& `2 q
1 G) U2 d. {) Z- [" R9 cKranzusch说，“这可能是一种阻止过度活跃的免疫系统和慢性炎症的方法。或者这可能是通过不识别短片段DNA来降低患上某些人类疾病的风险。”
: ^3 f. m* [  B" a% s0 t* Y, A5 T1 S
在最后一组实验中，这些研究人员解析出人cGAS的活性形式与DNA结合在一起时的原子结构。
% ?- @& r( x! {: J1 U% |8 @( V( n
为了做到这一点，他们使用了一种被称作X射线晶体衍射的可视化技术。这种技术能够基于X射线衍射图案揭示出蛋白晶体的分子结构。! I$ ^; v# J" l% C2 V2 A
+ g9 l2 M$ v7 ^* }
分析人cGAS“在发挥作用时”的结构揭示出让它能够选择性地结合长片段DNA同时忽略短片段DNA的精确分子变异。 ; B1 ]. ^* G7 l' k- |% C
  z  B* Z8 F9 L$ l) k; y) Y4 u* b
Kranzusch说，“理解是什么让人cGAS的结构和功能与其他物种cGAS存在的差异正是这个缺失的部分。如今，我们解析出它的结构，我们真地能够开始设计适用于人体而不适用于小鼠的药物。”
, J1 o  X) q3 J" p& k, r
0 w, L8 o: Y' B6 n; p% Z) M! s* h& A0 _& q2 f% n
11. Science：从结构上揭示I型CRISPR-Cas系统降解靶DNA机制
9 m7 j% n5 t2 L2 n
: q6 \2 u" R, W& ]' \0 @doi:10.1126/science.aat0839
, i/ F" [# h9 C) o2 E9 G- ?, e7 z- [0 v1 R7 J

# J' r* o+ `/ S) o. e* d
1 w  Q4 n$ f+ D: z. R7 t, {# P作为最流行的CRISPR 系统，I型CRISPR-Cas的特征是有序的靶标搜索和降解。首先，多亚基监测复合物Cascade（用于抗病毒防御的CRISPR相关复合物）识别相匹配的两侧具有最佳的前间区序列邻近基序（protospacer-adjacent motif, PAM）的双链DNA靶标，促进CRISPR RNA（crRNA）和靶DNA链之间形成异源双链体，并将非靶DNA链置换掉，从而导致在靶位点上形成R-环（R-loop）。随后，将具有解螺旋酶活性和核酸酶活性的酶Cas3特异性地招募到Cascade/R-loop上并切割和渐进性地降解靶DNA链。来自褐色嗜热裂孢菌（Thermobifida fusca, Tfu）的I-E型Cascade/R-loop和Cas3/单链DNA（ssDNA）复合物的高分辨率结构阐明了PAM识别和R-环形成机制。然而，Cas3招募、DNA切割和降解机制仍然是难以捉摸的。" l, ~9 c( T9 y" a
0 _9 H9 }+ I# C, X1 E  }
在一项新的研究中，来自美国康奈尔大学和哈佛医学院的研究人员重建出TfuCascade/R-loop/Cas3（即来自褐色嗜热裂孢菌的Cascade/R-loop/Cas3）三元复合物，并利用单颗粒低温电镜技术（cryo-EM）解析出它在R-环切割前状态和R-环切割后状态下的结构。这些结果为理解I型CRISPR-Cas系统中crRNA指导的DNA降解提供了结构基础。相关研究结果发表在2018年7月6日的Science期刊上，论文标题为“Structure basis for RNA-guided DNA degradation by Cascade and Cas3”。
* o: d" _3 O  |* l9 M3 _9 s4 v' G2 u
这些研究人员解析出TfuCascade/R-loop/Cas3在非靶DNA链切割前状态下的分辨率为3.7埃的低温电镜图。Cas3的结合不会引起形成R-环的Cascade复合物发生进一步构象变化，这提示着Cascade-Cas3相互作用在很大程度上是一种构象捕获机制而不是一种诱导契合机制。Cas3-Cascade相互作用完全是由Cascade中的Cse1亚基介导的。Cas3对Cascade的识别是由于与Cascade/R-loop在电荷和表面轮廓上是互补的，但与Cascade的种泡状态（seed-bubble state）并不是互补的。这是因为在R-环充分形成之前，Cse1的C-末端结构域处于一种替代性方向。通过与Cse1的两个结构域进行广泛接触，Cas3能够检测Cse1的表面轮廓发生变化，从而排斥处于这样的功能状态下的Cascade。有条件地将Cas3招募到Cascade上就能够避免错误靶向仅具有部分互补性的DNA。7 x/ x* A' N' O- }8 [5 F
9 f! P" |2 c, Y. s3 x
再者，这些研究人员提供了直接的证据表明一种底物移交机制对I-E型CRISPR干扰是至关重要的。Cas3的HD核酸酶结构域直接捕获非靶DNA链用于链切割，而且这种作用完全绕过了它的解旋酶结构域。这种底物捕获依赖于非靶DNA链中存在的柔性凸起，而且这种切割位点偏好性是由这种招募通路预先确定的。4 T+ b. X, v( i, U2 C

; C9 J' K) L+ K! Z/ q6 W这些研究人员进一步解析出TfuCascade/R-loop/Cas3在非靶DNA链切割后状态下的分辨率为4.7埃的结构，这就允许他们鉴定出与这种链切割反应相伴随的结构变化。这种结构揭示出由于增加的柔性，R环区域中的完整非靶DNA链消失了。一旦腺苷5'-三磷酸（ATP）水解，与PAM相邻的一半非靶DNA链自发地重新定位到Cas3中的解旋酶结构域的开口处。因此，在ATP水解时，Cas3的解旋酶结构域让非靶DNA链通过它自身并进一步进入Cas3的HD核酸酶结构域，从而进入一种渐进性DNA降解模式。4 W& @/ [/ C# z, A
8 C" N& j1 [6 W, ~* o$ n
总之，这些研究人员描述了导致I-E型CRISPR干扰的分子事件的结构-功能特征。CRISPR干扰的出现在Cas3招募步骤中受到严格控制，从而降低脱靶效应。然而，当切割非靶DNA链时，I型CRISPR-Cas系统在靶标破坏方面表现优异，这是因为Cas3渐进性地降解DNA而不是停下来产生双链DNA断裂。这些特征可能解释着为什么I型CRISPR-Cas系统进化成为自然界中最常见的CRISPR-Cas系统。观察I型CRISPR-Cas系统是否可能转化为一种具有与Cas9不同的实用性的基因组编辑工具将是令人关注的。& c- S8 q+ G( U+ x7 n8 v& c

# V6 @. c; ^( y8 r0 r9 j' d+ \$ s
* O6 l: Z) K) l) R12. Nature：重大进展！首次解析出人突触GABAA受体的三维结构，有望开发出治疗癫痫等神经疾病的新型药物
* b4 H& q0 L$ J: G; ]
8 I( w3 ?, j) i6 o2 W" O& O9 Xdoi:10.1038/s41586-018-0255-3" M6 F# E& d% \
6 }. h' r3 ^$ F: j& Q) B( j

5 s6 O- q' f; o0 A
7 B% e  J: m3 n许多药物---不论是合法的还是非法的---都作用于大脑中最为丰富和最为重要的神经递质受体之一：A型GABA受体（type A GABA receptor, GABAA受体）。特别著名的是苯二氮平类药物（benzodiazepine），它们用于外科手术期间的麻醉，并用于治疗癫痫、焦虑和失眠。解析出这种受体的三维结构有朝一日可能导致人们开发出更好地治疗这些疾病的方法。0 D! e3 X; y) p1 x/ [3 Q) D8 s

" I5 W; p" ~; I, N3 R( y2 gGABAA受体与γ-氨基丁酸（GABA）结合，其中GABA是成年大脑中主要的抑制性或镇静性神经递质。为了正常地发挥作用，大脑需要平衡刺激性信号和镇静性信号。GABAA受体功能障碍在以大脑中过度兴奋为特征的疾病（如癫痫）中发现到。除了镇静剂苯二氮平类药物之外，GABAA受体是巴比妥类药物、麻醉药和酒精的常见靶标。所有的这些药物都通过增加GABAA受体的活性而作用于大脑，从而进一步抑制大脑活动。
, D1 O; v- z5 \2 ^9 w1 z
# R" ?! ~3 G8 o5 R; N/ r众所周知，GABAA受体的三维结构很难利用X射线衍射晶体分析法解析出。长期以来，这种方法被认为是结构生物学的黄金标准。它需要蛋白结晶，这样就能够根据X射线衍射图谱来确定蛋白结构。
0 I% h. Y) {' h9 A( C8 r
9 n# {" v2 ~7 `# T5 H在一项新的研究中，来自美国德克萨斯大学西南医学中心的研究人员寻求低温电镜技术（cryo-EM）的帮助。他们利用cryo-EM技术首次成功地解析出GABAA受体结合到GABA和药物氟马西尼（flumazenil）上的三维结构。相关研究结果于2018年6月27日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Structure of a human synaptic GABAA receptor”。论文通信作者为德克萨斯大学西南医学中心神经科学与生物物理学助理教授Ryan Hibbs博士。论文第一作者为Hibbs实验室博士后研究员Shaotong Zhu博士。2 a9 ?. Y: y/ o% Y0 W7 T- o6 a% L

# \9 v" z7 E) Q# J* p1 M这些研究人员在烧瓶中利用细胞表达人突触GABAA受体并加以纯化，并将电生理学实验和利用cryo-EM技术获得的结构信息结合在一起来测试地西泮（一种苯二氮卓类药物）和氟马西尼对这种GABAA受体的影响，其中氟马西尼用于逆转麻醉和治疗苯二氮平类药物过量 Hibbs博士说，“我们能够确定GABA如何选择性地与这种受体结合，并解释诸如苯二氮卓类药物和氟马西尼---它竞争性地作用于相同的位点上来逆转苯二氮卓类药物的效果---之类的药物为何特异性地作用于这种受体上。这对于理解药物结合机制和设计治疗多种神经疾病的新药产生深远的影响。”
: Q" @& u* ]  v
8 t& |/ F5 M/ m1 l
: N9 G6 x; W+ S0 M% @13. Nature：重大突破！首次从结构上揭示间日疟原虫入侵人红细胞机制% c+ M* h6 Q% M2 I3 k& Y- _3 J) {
. d$ \; E" v4 P! x" S
doi:10.1038/s41586-018-0249-1. j8 }; s# c  h# [4 Z
: z' Y0 j9 b3 y7 w$ \, o  N0 ?9 i

3 A$ \+ R& W1 ~) K7 k  b$ G: q9 Q1 a
疟原虫入侵人体的年轻红细胞，随后开始在整个身体中扩散。在一项新的研究中，来自澳大利亚和美国的研究人员利用低温电镜技术（cryo-EM）首次在原子水平上揭示出间日疟原虫（Plasmodium vivax）如何入侵人体红细胞的三维蓝图。他们绘制出这种疟原虫与它们入侵的年轻红细胞之间的首次接触，从而破解了它们用来附着到人红细胞上的分子机器---间日疟原虫蛋白PvRBP2b与人转铁蛋白受体1（TfR1）和转铁蛋白结合在一起而形成的一种三元入侵复合物---的三维结构。这为开发新型疟疾疫苗迈出了重要的一步。相关研究结果于2018年6月27日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Cryo-EM structure of an essential Plasmodium vivax invasion complex”。论文通信作者为美国霍华德休斯医学研究所研究员Zhiheng Yu博士和澳大利亚沃尔特-伊丽莎-霍尔医学研究所的Wai-Hong Tham博士。论文第一作者为沃尔特-伊丽莎-霍尔医学研究所的Jakub Gruszczyk博士和霍华德休斯医学研究所的Rick Huang博士。
  s2 Q, G$ G6 ?( |* R+ `% F! ?: P1 a3 A# t, V! c3 G
今年初，在一项发表在Science期刊上的研究中，这些研究人员已发现间日疟原虫通过劫持人转铁蛋白受体入侵人体红细胞（Science, doi:10.1126/science.aan1078，详情参见生物谷新闻报道：重磅！开发疟疾疫苗有戏！揭示间日疟原虫通过劫持人转铁蛋白受体入侵红细胞）。如今，在革命性的cryo-EM技术的帮助下，他们能够在原子水平下可视化观察PvRBP2b与TfR1和转铁蛋白之间的相互作用。这就为开发潜在的抗疟疾药物和疫苗奠定基础。
: X  V, d& _& H
( w4 g! i$ u" D* z间日疟原虫是世界上分布最为广泛的疟原虫，也是非洲以外绝大多数国家中的疟疾病例的主要原因。鉴于它隐藏在人体肝脏中而不被免疫系统检测到，它也是导致复发性疟疾感染的头号疟原虫。
8 M) e/ n# {* e( R4 C5 r
5 M9 F) Y5 j% i  ?! _8 ^在这种三维结构的指导下，这些研究人员能够解析出这种疟原虫-宿主相互作用的确切细节，并鉴定出它的最为脆弱的位点。
4 E  R( e9 L( \* }" q% p8 a2 d  D0 v9 J! |
Tham说，“这基本上是一项设计挑战。间日疟原虫是非常多样化的，这对疫苗开发具有挑战性。我们如今鉴定出这种分子机器，它将是开发出有效地抵抗一系列间日疟原虫的抗疟剂疫苗的最好靶标。”4 `% b- D8 @: u& ?

, ?9 ]2 v6 a- b7 m她说，“凭借这种前所未有的细节，我们如今能够开始设计专门靶向和破坏这种疟原虫的三元入侵复合物的新型疗法，以便阻止它们劫持人红细胞并通过血液在体内扩散，从而最终阻止它们传播给其他人。”
! U( a/ t. t' u+ p, _+ U" d
+ h) _8 D  y% \  u8 n# @
; `4 b2 }, f% k; W* i7 l14. Cell：首次解析出人teneurin蛋白的三维结构，竟类似于细菌毒素
! H& B  a, `& e  X! d! k/ ~0 X; t% {* k5 d& T6 n6 Z
doi:10.1016/j.cell.2018.03.036
( q& L+ o, X0 F! j; Y7 H
( `' _- `, q9 [% M  ?3 d" v
) e& f; m8 d% v) e  W# N, j$ {$ j$ N* Q. [' [) l/ _
一类被称作teneurin的蛋白位于细胞的表面上，并与其他细胞表面上的其他蛋白相结合，从而进行细胞间通信。它们参与多个过程，包括胚胎发育、引导神经元轴突向正确的位置延伸从而与其他的神经细胞建立连接和有助这些连接（也称作突触）形成。
3 c: l/ |4 z. F; X2 E4 |" W( R+ q% @+ M* M( I$ C
基于编码teneurin蛋白的基因序列，人们已隐约觉得teneurin蛋白类似于细菌毒素，即细菌用来攻击和破坏宿主细胞的毒性分子。在一项新的研究中，美国芝加哥大学的Demet Araç博士和斯坦福大学的Georgios Skiniotis及其同事们首次利用高分辨率电镜技术解析出人teneurin蛋白的三维结构。相关研究结果发表在2018年4月19日的Cell期刊上，论文标题为“Structural Basis for Teneurin Function in Circuit-Wiring: A Toxin Motif at the Synapse”。
% P: j1 ~1 c  }- F+ \( }
& r7 q* C5 A; [3 u1 j% u9 Y: W# T一旦确定teneurin蛋白的结构后，Araç和她的同事们也想要理解它们在发育期间和在神经系统中如何执行如此多不同的功能。他们猜测这可能与它们和细菌毒素之间存在的相似性有关。一种被称作选择性剪接的遗传过程也可能有助teneurin蛋白执行各种任务。选择性剪接导致单个基因编码多个蛋白。在这个过程中，基因中被称作外显子的小片段可以被包括或排除在由该基因最终产生的信使RNA（mRNA）中。这些不同的mRNA依次翻译为不同的可执行各种功能的蛋白版本。* ^4 k9 z; z0 k1 T, i  [: W( I% ~

, B8 X* ]. D1 ~: EAraç和斯坦福大学的合作者ThomasSüdhof利用选择性剪接过程，产生了两种不同的teneurin蛋白版本，并测试了它们的功能。它们仅有微小的差异---2500个氨基酸中仅有7个不同，但是会产生重要的影响。缺乏7个特定氨基酸的teneurin蛋白版本能够结合到一种在细胞间信号传导中起着重要作用的细胞受体上。含有这7个氨基酸的teneurin蛋白版本不能够与这种受体结合。相反，它促进了神经细胞之间的突触形成。' A4 y' C9 Z/ g" Q; h0 a
& \7 |  B# {# D5 b
Araç说，鉴于teneurin蛋白的结构是明确的，她和她的博士后学者Jingxian Li博士希望继续努力理解这些蛋白如何发挥着它们的许多不同的作用。
  ?  o9 @- C2 M2 H" y5 K2 C4 d( }7 d

& N8 \% Z4 m  k15. Nature：解析出光合蛋白LH1–RC的三维结构9 k& A0 `0 h- S1 f# x! c

. ~$ s) F' w5 n$ Rdoi:10.1038/s41586-018-0014-55 h3 o  S6 m1 f( a
6 @9 b# `" Y* n# S6 s

- T" `7 s, p  }; N3 x/ e7 i4 W) ]
2 i1 h* b( I* u8 X( F$ n在一项新的研究中，来自英国谢菲尔德大学的研究人员解析出一种光合蛋白的结构，并揭示出它如何将近红外光转化为电荷。这些发现为赋予生命的过程---光合作用---的效率和限制提供了新的见解。相关研究结果发表在2018年4月12日的Nature期刊上，论文标题为“Cryo-EM structure of the Blastochloris viridis LH1–RC complex at 2.9 Å”。1 W  A5 F' A  t& f; M9 H1 X
' d" u' J7 g$ x3 z# A1 Z
植物和藻类利用叶绿素吸收来自太阳的能量，为波长高达720nm下的光合作用提供能量，其中这种波长位于光谱的红光部分，也是人眼可见光的极限处。但是，一些细菌能够将使用的光线能量边界推进到近红外区域。
# c$ C6 }3 `: \* E  s# C2 B6 {# K. F5 ^5 S3 i! C
这项开创性的研究是对来自绿色绿芽菌（Blastochloris viridis）的光合LH1-RC复合物进行的。这种复合物能够收集和使用波长超过1000nm的光线。
" J, s% |% F* x8 Y. d, I1 _( f# r4 g+ @5 r
这种复合物的结构是利用低温电镜技术确定的，它展示了它如何将近红外光转化为电荷，从而促进细胞代谢。这种代谢使得细菌能够在地球上光合作用的红光极限处生存下来。6 U& G% |* L" Z3 `7 S

3 ?( M8 c3 D- ]1 i论文共同通信作者、谢菲尔德大学分子生物学与生物技术系的Neil Hunter教授说，“光合作用是地球上所有生命的主要能量来源，因此了解这种过程的限制是比较重要的，因此我们能够理解如何增加光谱覆盖率和提高光合作用效率。”
7 a0 }3 F# a# m$ f' W- @( S( A2 e5 ~2 l4 y! g1 Y& ^* Y7 r0 F) M
这项研究是首次利用低温电镜技术解析出一种光合复合物的详细结构，并且也是首次获得一种使用红光极限波长的光线的复合物的结构。
2 T# Z9 c) x$ [# H- R* W# b
) ~1 d, z9 y# d. B- r. M0 Q如今，这些研究人员的目标是根据所涉及的蛋白和色素确定决定这种复合物功能的最为重要的因素。（生物谷Bioon.com）
, o! V/ L% z* P9 h# z) f
7 F4 O! G9 g) a" b  o4 y