10月13日，結構生物學著名期刊《結構》(Structure)以封面文章形式發(fā)表了中國科學院生物物理研究所孫飛研究組和微生物研究所董志揚研究組合作完成的關于二型分子伴侶開口狀態(tài)的晶體與電鏡結構最新研究成果,。該文的三個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，電鏡圖像處理和晶體結構解析方面做出了重要貢獻,，微生物研究所的王麗則提供了樣品的生化實驗數(shù)據(jù),。
圖片來源：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)復合物,，在此之前,，關于二型分子伴侶素核酸結合功能態(tài)的結構以及功能循環(huán)各個環(huán)節(jié)中的構象變化的研究都不是很透徹,，其中最為關鍵的因素就是沒有此類分子開口狀態(tài)的高分辨率結構。該研究將冷凍電鏡三維重構和X射線晶體學有效地結合在一起,，獲得了第一個開口狀態(tài)的二型分子伴侶3.7?分辨率的結構,，對人們認識此類分子的功能循環(huán)過程提供了非常關鍵的結構信息。
該研究以來源于古菌Acidianus tengchongensis (AT) strain S5的二型分子伴侶素ATcpnβ為研究對象,， 利用負染電鏡三維重構的方法獲得了rATcpnβ的14 ?分辨率的閉合構象,，分析發(fā)現(xiàn)該構象與先前報道的閉口狀態(tài)同源晶體結構的單個亞基符合得非常好；同時利用低溫電鏡三維重構方法,，獲得了ATcpnβ apo狀態(tài)8.8 ?分辨率的三維結構及ATP結合但未水解狀態(tài)的8.4 ?分辨率的三維結構,，發(fā)現(xiàn)均呈現(xiàn)開口不對稱構象，上環(huán)結構較下環(huán)結構閉合（但上環(huán)并不是完全閉合的狀態(tài)）,，該構象與先前報道的同源晶體結構符合較差,，特別是在頂端結構域,。
此外,，研究人員經(jīng)過大量努力，獲得了ATcpnβ結合ADP的開口狀態(tài)的3.7?分辨率的晶體衍射數(shù)據(jù),，以低溫電鏡結構為模型,，通過分子置換法解析了其晶體結構，獲得了第一個具有9次對稱性的完整二型分子伴侶開口狀態(tài)的晶體結構,，而此前只有8次對稱性的閉口狀態(tài)的原子分辨率晶體結構,。分析發(fā)現(xiàn)，該晶體結構的單個亞基能夠與rATcpnβ結合ATP（但未水解）的開口構象非常好地吻合,。通過比較開口構象和閉合構象,，較為準確地觀察到二型分子伴侶在從ATP結合到ATP水解過程的精細構象變化——整個亞基作為剛體向內(nèi)的翻轉(zhuǎn)運動和頂端區(qū)相對于赤道結構域～30度的旋轉(zhuǎn)。
此前由于缺乏高分辨率的晶體結構,，有些研究認為分子伴侶的腔體關閉僅僅與lid結構域的運動有關,，另一些研究則認為是整個亞基向內(nèi)的運動所致,，該研究獲得的高分辨率晶體結構解決了這些爭議，提供了最為準確的構象變化過程,。
此外,，該研究成果充分表明了將電鏡三維重構與X射線晶體學結合在一起對于研究生物超分子復合體的結構、闡述生物問題的巨大優(yōu)勢,，這也是結構生物學發(fā)展的一個重要趨勢,。此前，由于技術條件的限制,，國內(nèi)的結構生物學研究主要以X射線晶體學為主,，電鏡和晶體學結合的成功例子很少；現(xiàn)在,，國內(nèi)在電鏡三維重構技術方面給以巨大投入,，該研究無疑是在這種局勢下的一個成功范例。（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.
