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科學(xué)家用混合方法了解細胞動態(tài)與功能
日期：2024-08-29 12:37
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摘要：
與其他結(jié)構(gòu)生物學(xué)家一樣，Eva Nogales趕上了好時機。這位美國加州大學(xué)伯克利分校的教員現(xiàn)在可以利用新工具，解決幾年前根本無法解答的細胞分子機制問題。
*近，Nogales和同事、分子生物學(xué)家、CRISPR-Cas9的聯(lián)合發(fā)明人Jennifer Doudna的合作項目正是個好例子。她們都對R環(huán)十分感興趣。很多情況下，在DNA被CRISPR-Cas9剪切前，細胞內(nèi)會形成一個由核苷酸構(gòu)成的R環(huán)。Nogales等人對化膿性鏈球菌中的R環(huán)進行了成像，得到了近原子分辨率的結(jié)構(gòu)圖像，提示了Cas9酶在特定位點如何打開DNA，并使其可用于CRISPR的分子剪刀。
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與其他結(jié)構(gòu)生物學(xué)家一樣，Eva Nogales趕上了好時機。這位美國加州大學(xué)伯克利分校的教員現(xiàn)在可以利用新工具，解決幾年前根本無法解答的細胞分子機制問題。
*近，Nogales和同事、分子生物學(xué)家、CRISPR-Cas9的聯(lián)合發(fā)明人Jennifer Doudna的合作項目正是個好例子。她們都對R環(huán)十分感興趣。很多情況下，在DNA被CRISPR-Cas9剪切前，細胞內(nèi)會形成一個由核苷酸構(gòu)成的R環(huán)。Nogales等人對化膿性鏈球菌中的R環(huán)進行了成像，得到了近原子分辨率的結(jié)構(gòu)圖像，提示了Cas9酶在特定位點如何打開DNA，并使其可用于CRISPR的分子剪刀。
這項工作*突出的是科學(xué)家能快速地將功能與結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，而且他們能把成像方法結(jié)合起來。一個多世紀以來，結(jié)構(gòu)生物學(xué)的優(yōu)選方法一直是X射線晶體衍射法。但有些生物分子太大或太小，難以結(jié)晶，因此不能采用X射線法。而且，一些分子在發(fā)揮功能時，會發(fā)生形態(tài)或朝向的變化，而結(jié)晶法無法捕捉這些變化。
現(xiàn)在，科學(xué)家擁有一個龐大的成像工具庫。低溫電子顯微鏡或化學(xué)家的核磁共振（NMR）成像等方法，都能在不結(jié)晶的情況下，獲得接近原子分辨率的結(jié)構(gòu)圖像，從而揭示分子的形狀、大小和方向。但并非所有方法對活細胞內(nèi)的全部蛋白質(zhì)、核酸都有用。
經(jīng)驗證明，沒有一個單一的方法足以探討細胞中發(fā)生的動態(tài)行為和復(fù)雜的相互作用。*好的解決辦法是整合來自多個工具的圖像。
這種方法得到了諸多追隨者。斯坦福大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)家Roger Kornberg指出，每個方法都能提供一些重要信息，結(jié)合起來，就能實現(xiàn)1+1>2的效果。由于在揭示基因轉(zhuǎn)錄機制方面的貢獻，Kornberg于2006獲得了諾貝爾化學(xué)獎。對于這一突破性研究，他使用的是X射線晶體衍射法。現(xiàn)在，和其他晶體學(xué)家一樣，他開始使用多種方法的結(jié)合。
Kornberg繼續(xù)分析RNA聚合酶II，但現(xiàn)在他把冷凍電鏡和晶體學(xué)技術(shù)結(jié)合起來。與晶體技術(shù)相比，冷凍電鏡可用于不易結(jié)晶的生物分子，并且能解析較大的分子，但目前分辨率則稍遜一籌。Kornberg實驗室還使用化學(xué)交聯(lián)和質(zhì)譜法，揭示鄰近蛋白質(zhì)之間的關(guān)系以及利用已知蛋白質(zhì)信息進行同源性建模。
同時，Nogales和Doudna團隊也使用混合方法研究R環(huán)。Nogales表示，“高分辨率的X射線晶體法無法解析完整的R環(huán)結(jié)構(gòu)?！彼运麄冇美鋬鲭婄R在低分辨率上對完整的環(huán)結(jié)構(gòu)進行解析。只有把兩者結(jié)合起來，研究人員才能真正揭示CRISPR-Cas9中R環(huán)的作用。
這種混合或綜合性方法有助于研究人員深入研究基礎(chǔ)科學(xué)問題，對**開發(fā)人也非常有用。細胞膜上的大蛋白質(zhì)往往是**靶標，高分辨率混合方法能揭示**與受體相互作用的原子細節(jié)。同樣，通過展示艾滋病病毒、埃博拉病毒和其他病原體的包膜蛋白與**細胞相互作用機制，能有助于疫苗發(fā)展。納什維爾范德堡大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)家Jens Meiler表示，這些結(jié)構(gòu)對人們理解**系統(tǒng)的工作機制非常重要。
Noglaes總結(jié)到：“這是混合方法的黃金時代?！?/span>
夢想成真
德國歐洲分子生物學(xué)實驗室(EMBL)細胞生物和生物物理部主任Jan Ellenberg表示，這個時代對很多生命科學(xué)家來說，是夢想成真的時代。這個夢想是從原子層面無縫銜接到細胞層面。針對細胞大分子的深入理解自然能解答結(jié)構(gòu)生物學(xué)的首要問題：一個分子的結(jié)構(gòu)是怎么和其功能聯(lián)系在一起的?
結(jié)構(gòu)生物學(xué)家工具箱中的每種技術(shù)都提供了不同的視角。生物學(xué)家相信，使用混合方法構(gòu)建的模型可以準確地反映分子或復(fù)合體在細胞中的行為。Meiler說：“你需要把這些技術(shù)結(jié)合起來，才能得到**答案。”
X射線晶體衍射一直是確定蛋白質(zhì)原子結(jié)構(gòu)的標準方法。在成立于1971年的蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)銀行擁有的大約12萬個模型中，約有90%來自晶體學(xué)研究。
不過，對于結(jié)構(gòu)生物學(xué)家而言，該技術(shù)雖然分辨率高，但也有局限性。首先，樣品要高度純化，以產(chǎn)生有序的晶體?？茖W(xué)家通過分析原子如何散射光確定分子結(jié)構(gòu)。該技術(shù)需要有足夠的原子，以產(chǎn)生可測量的衍射圖案，并且每一個晶體必須是靜態(tài)的。因此，該方法不能揭示一個分子是如何運動的以及如何起作用的，也不能揭示它如何與其他系統(tǒng)互動。
德國復(fù)雜系統(tǒng)研究所計算結(jié)構(gòu)生物學(xué)小組組長Gunnar Schroder指出，蛋白質(zhì)不僅僅是一個單一的靜態(tài)結(jié)構(gòu)，“通常情況下，你想看到的是整個蛋白質(zhì)如何工作”。Schroder使用混合方法理解蛋白的行為和彼此間的聯(lián)系。晶體技術(shù)能提供蛋白在脫離正常環(huán)境時的快照。但結(jié)構(gòu)生物學(xué)家需要其他方法補充晶體結(jié)構(gòu)信息，并提高他們對蛋白質(zhì)形態(tài)和功能的理解。
此外，許多蛋白質(zhì)，例如細胞膜上的**靶點，是靈活而不穩(wěn)定的。為了讓這些蛋白質(zhì)形成晶體，研究人員經(jīng)常要在某種程度上改變它們。Meiler指出，改變樣本可能無法準確反映分子的原生態(tài)以及其在細胞內(nèi)的排布方式。他把實驗和計算方法結(jié)合，以便更好地理解分子結(jié)構(gòu)。“晶體法是很好的初始方法，但這個方法不足以提供功能方面的信息。”他說。
幫個小忙
Nogales等人使用的混合策略達到了10埃的整體分辨率，相比于以往分析的30埃分辨率是極大的進步。分辨率的提高帶來了新視角，正如Nogales所說，“我們可以看到氨基酸與DNA的相互作用”。
但冷凍電鏡要求標本被冰凍。這并不理想，因為冷凍的樣本遠遠脫離了自身動態(tài)、天然的狀態(tài)。而核磁共振光譜可以解決這個問題。Schroder表示，“核磁共振有一個很大的優(yōu)勢，你可以在室溫下觀察樣本，蛋白質(zhì)的動態(tài)信息?！彼膶嶒炇彝ㄟ^整合NMR、冷凍電鏡和晶體學(xué)數(shù)據(jù)，建立實驗?zāi)Ｐ汀?/span>
NMR于20世紀40年代被**應(yīng)用到實驗中。研究人員在外部磁場中激發(fā)原子得到大分子結(jié)構(gòu)。當原子恢復(fù)后，其內(nèi)部磁場的變化可以被檢測到，從而反映出分子的原子結(jié)構(gòu)。然而，核磁共振光譜只適用于相對較小的大分子或復(fù)合體。
結(jié)構(gòu)生物學(xué)家也使用混合方法解析超大復(fù)合體——這是過去無法完成的任務(wù)。Kornberg*新的成果進一步拓展了其對RNA聚合酶II的研究，并使用混合方法描述了一個由50多個蛋白質(zhì)和轉(zhuǎn)錄因子組成的巨大復(fù)合體。“通過多個方法的結(jié)合，他們**看到了整個復(fù)合體。每個方法的貢獻同樣大?！彼f。
仍有缺點
雖然不同的方法能帶來更多信息，但混合也會造成錯誤的疊加。因此，混合方法的一個潛在問題是，多個錯誤來源造成的誤差增加。Meiler指出：“我關(guān)注的是如何在整合方法的同時，減小誤差，保證得到的模型具有準確性、精度和可靠性?！?/span>
另一個障礙是多類數(shù)據(jù)集的共享和利用。任何一個技術(shù)都能得到豐富的信息，因此信息共享是個挑戰(zhàn)。冷凍電鏡生產(chǎn)商FEI公司的**科學(xué)家Jeffrey Lengyel表示，“每天都能生成百萬兆字節(jié)的數(shù)據(jù)”。他希望，結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域可以向高通量的遺傳生物學(xué)領(lǐng)域?qū)W習處理數(shù)據(jù)超載的方法。雖然有能靈活結(jié)合高分辨率晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和冷凍電鏡圖的軟件，但其他方法得到的數(shù)據(jù)無法簡單地混合。例如，電子順磁共振光譜測量高分子的距離和方向，而冷凍電鏡產(chǎn)生密度圖。雖然這兩種數(shù)據(jù)結(jié)合在一起非常有用，但這兩種數(shù)據(jù)語言并不相同。Meiler提出疑問，“我如何整合這些數(shù)據(jù)，如何分享?”
為了探討數(shù)據(jù)組織、共享和使用的*佳方式，幾十名結(jié)構(gòu)生物學(xué)家于2014年10月齊聚英國歐洲生物信息研究所。Schroder表示，目前，PDB存儲單個蛋白結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，應(yīng)該增加蛋白質(zhì)所有方面的數(shù)據(jù)。細節(jié)越豐富，越有助于**解析蛋白和大分子功能。
學(xué)界已經(jīng)做出了一些努力：目前已建立二維電子顯微鏡圖像檔案庫和三維的EMDataBank。這些檔案庫由EMBL等機構(gòu)提供資金，其中包含的數(shù)據(jù)可以共享、歸檔和分發(fā)。
另一個可能阻礙該領(lǐng)域的威脅是專業(yè)知識。Meiler指出，“技術(shù)需要投資，但在培訓(xùn)科學(xué)家上進行投入也非常重要?！彼ㄗh，結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域的學(xué)生都去學(xué)習每一種方法的優(yōu)缺點，并至少精通一種方法?！拔覀冃枰囵B(yǎng)新一代科學(xué)家理解如何整合這些不同的技術(shù)?！?/span>
*后，結(jié)構(gòu)生物學(xué)家必須學(xué)會提問題，提出新的、復(fù)雜的、以前被認為不可能的生物問題。Ellenberg還表示，多虧混合方法，“很多5年前我甚至以為直到退休都沒法探索的問題能解決了”。
