10月13日,，結(jié)構(gòu)生物學(xué)著名期刊《結(jié)構(gòu)》(Structure)以封面文章形式發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所孫飛研究組和微生物研究所董志揚(yáng)研究組合作完成的關(guān)于二型分子伴侶開口狀態(tài)的晶體與電鏡結(jié)構(gòu)最新研究成果。該文的三個(gè)共同第一作者霍艷武、胡仲軍和張凱分別在蛋白質(zhì)純化晶體生長(zhǎng),，電鏡圖像處理和晶體結(jié)構(gòu)解析方面做出了重要貢獻(xiàn)，微生物研究所的王麗則提供了樣品的生化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),。
圖片來(lái)源：Structure
分子伴侶素（Chaperonins）是一種ATP依賴的協(xié)助蛋白折疊的多亞基雙環(huán)復(fù)合物,，在此之前，關(guān)于二型分子伴侶素核酸結(jié)合功能態(tài)的結(jié)構(gòu)以及功能循環(huán)各個(gè)環(huán)節(jié)中的構(gòu)象變化的研究都不是很透徹,，其中最為關(guān)鍵的因素就是沒有此類分子開口狀態(tài)的高分辨率結(jié)構(gòu),。該研究將冷凍電鏡三維重構(gòu)和X射線晶體學(xué)有效地結(jié)合在一起，獲得了第一個(gè)開口狀態(tài)的二型分子伴侶3.7?分辨率的結(jié)構(gòu),，對(duì)人們認(rèn)識(shí)此類分子的功能循環(huán)過(guò)程提供了非常關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)信息,。
該研究以來(lái)源于古菌Acidianus tengchongensis (AT) strain S5的二型分子伴侶素ATcpnβ為研究對(duì)象， 利用負(fù)染電鏡三維重構(gòu)的方法獲得了rATcpnβ的14 ?分辨率的閉合構(gòu)象,，分析發(fā)現(xiàn)該構(gòu)象與先前報(bào)道的閉口狀態(tài)同源晶體結(jié)構(gòu)的單個(gè)亞基符合得非常好,；同時(shí)利用低溫電鏡三維重構(gòu)方法，獲得了ATcpnβ apo狀態(tài)8.8 ?分辨率的三維結(jié)構(gòu)及ATP結(jié)合但未水解狀態(tài)的8.4 ?分辨率的三維結(jié)構(gòu),，發(fā)現(xiàn)均呈現(xiàn)開口不對(duì)稱構(gòu)象,，上環(huán)結(jié)構(gòu)較下環(huán)結(jié)構(gòu)閉合（但上環(huán)并不是完全閉合的狀態(tài)），該構(gòu)象與先前報(bào)道的同源晶體結(jié)構(gòu)符合較差,，特別是在頂端結(jié)構(gòu)域,。
此外，研究人員經(jīng)過(guò)大量努力，獲得了ATcpnβ結(jié)合ADP的開口狀態(tài)的3.7?分辨率的晶體衍射數(shù)據(jù),，以低溫電鏡結(jié)構(gòu)為模型,，通過(guò)分子置換法解析了其晶體結(jié)構(gòu)，獲得了第一個(gè)具有9次對(duì)稱性的完整二型分子伴侶開口狀態(tài)的晶體結(jié)構(gòu),，而此前只有8次對(duì)稱性的閉口狀態(tài)的原子分辨率晶體結(jié)構(gòu),。分析發(fā)現(xiàn)，該晶體結(jié)構(gòu)的單個(gè)亞基能夠與rATcpnβ結(jié)合ATP（但未水解）的開口構(gòu)象非常好地吻合,。通過(guò)比較開口構(gòu)象和閉合構(gòu)象,，較為準(zhǔn)確地觀察到二型分子伴侶在從ATP結(jié)合到ATP水解過(guò)程的精細(xì)構(gòu)象變化——整個(gè)亞基作為剛體向內(nèi)的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和頂端區(qū)相對(duì)于赤道結(jié)構(gòu)域～30度的旋轉(zhuǎn)。
此前由于缺乏高分辨率的晶體結(jié)構(gòu),，有些研究認(rèn)為分子伴侶的腔體關(guān)閉僅僅與lid結(jié)構(gòu)域的運(yùn)動(dòng)有關(guān),，另一些研究則認(rèn)為是整個(gè)亞基向內(nèi)的運(yùn)動(dòng)所致，該研究獲得的高分辨率晶體結(jié)構(gòu)解決了這些爭(zhēng)議,，提供了最為準(zhǔn)確的構(gòu)象變化過(guò)程,。
此外，該研究成果充分表明了將電鏡三維重構(gòu)與X射線晶體學(xué)結(jié)合在一起對(duì)于研究生物超分子復(fù)合體的結(jié)構(gòu),、闡述生物問(wèn)題的巨大優(yōu)勢(shì),，這也是結(jié)構(gòu)生物學(xué)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。此前,，由于技術(shù)條件的限制,，國(guó)內(nèi)的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究主要以X射線晶體學(xué)為主，電鏡和晶體學(xué)結(jié)合的成功例子很少,；現(xiàn)在,，國(guó)內(nèi)在電鏡三維重構(gòu)技術(shù)方面給以巨大投入，該研究無(wú)疑是在這種局勢(shì)下的一個(gè)成功范例,。（生物谷Bioon.com）
生物谷推薦英文摘要：
Structure doi：10.1016/j.str.2010.07.009
Crystal Structure of Group II Chaperonin in the Open State
Yanwu Huo,，Zhongjun Hu, Kai Zhang, Li Wang, Yujia Zhai, Qiangjun Zhou, Gabe Lander, Jiang Zhu, Yongzhi He, Xiaoyun Pang, Wei Xu, Mark Bartlam, Zhiyang Dong, Fei Sun
Thermosomes are group II chaperonins responsible for protein refolding in an ATP-dependent manner. Little is known regarding the conformational changes of thermosomes during their functional cycle due to a lack of high-resolution structure in the open state. Here, we report the first complete crystal structure of thermosome (rATcpnβ) in the open state from Acidianus tengchongensis. There is a ～30° rotation of the apical and lid domains compared with the previous closed structure. Besides, the structure reveals a conspicuous hydrophobic patch in the lid domain, and residues locating in this patch are conserved across species. Both the closed and open forms of rATcpnβ were also reconstructed by electron microscopy (EM). Structural fitting revealed the detailed conformational change from the open to the closed state. Structural comparison as well as protease K digestion indicated only ATP binding without hydrolysis does not induce chamber closure of thermosome.
