低温电子显微镜:指导下一代疗法具有复杂的见解

展示科学界的难以置信的协作精神,世界各地的研究人员在2020年一起找到解决的冠状病毒大流行。现在,这项研究仍在继续努力战斗冠状病毒变异,准备下一次大流行。在这些科学家助理教授Stephen Brohawn加州大学伯克利分校的使用低温电子显微镜(低温电子显微镜)调查SARS-CoV-2 3蛋白质。通过强化他的实验室工作,以及与世界各地的科学家合作,Brohawn和他的团队能够确定的结构3 2.1决议的离子通道吗——一个了不起的壮举的困难和小尺寸的膜蛋白。

生理和结构生物学

推动了医学观察生理系统在越来越小的范围内。显微镜使我们能够直接观察到细胞和病原体,而且,与此同时,监测各种治疗方案如何影响这些在体外和在活的有机体内。一旦我们达到光学显微镜的极限,我们开始利用电子显微镜视图细胞在更小的尺度上,清晰的可视化不仅表面还他们的内部细胞器和结构。通过这些观察我们开始更好地理解cell-pathogen交互,以及我们如何可能扰乱他们保护自己。晶体学推动我们几个步骤个别蛋白质的结构分析。这些基本的见解让我们了解蛋白质的结构与函数体内,破坏这些结构如何导致生理障碍。

建立一个高度技术,结晶学可用于确定的结构复杂的蛋白质,甚至一些小蛋白复合物,但有固有的技术限制。从这个名字是显而易见的,晶体学的依赖相当大的晶体样品蛋白质以产生衍射图案。结晶变得越来越更有挑战性更大更疏水样本。这意味着系统(如膜蛋白晶体学特别具有挑战性,因为他们有大量疏水区域设计为嵌入在脂质膜。各种人工结构开发模拟膜环境和稳定的蛋白质,如洗涤剂胶束和油脂的立方相的媒体,但这些只会使结晶更具挑战性。

从根本上讲,这使得差距在我们的观察能力。我们可以把细胞,可以查看他们的许多个别蛋白质,但是我们还不能桥这些鳞片。我们不能看到在蛋白质复合物,或在活的有机体内。实际上如果我们能观察到完整的生理尺度从细胞到原子结构,我们可以生成高度有效的和有针对性的治疗疾病和紊乱。现在,先进的低温电子显微镜承诺桥之间的分裂细胞和分子生物学。

低温电子显微镜在结构生物学

低温电子显微镜描述一群技术,包括单粒子分析和cryo-tomography,在低温下进行的专门的透射电子显微镜(cryo-TEMs)。单粒子分析是目前最受欢迎的低温电子显微镜技术,以至于“低温电子显微镜”一词是经常使用的同义词单粒子分析。

在低温电子显微镜中,水溶液样品首先迅速冻结,或玻化,修复蛋白质在一层薄薄的无定形冰。没有破坏性的水晶冰的形成,暂停蛋白质本质上是被锁在他们的天然态确认。样品然后转移到cryo-TEM,数以百计的单个蛋白质分子成像。因为样品是面向随机的解决方案,提供2 d图像快照,或者预测,从各种角度的蛋白质。这些图片然后计算调配成的3 d表示样本;特别是样品的对称性越高,就越容易创建这个重建。随着现代电子探测器、稳定的能源过滤器,和更好的电子资源,解决低温电子显微镜结构可以可靠地达到< 3,原子水平结构甚至被报告 标准蛋白质样品。

因为低温电子显微镜图像单个蛋白质,没有必要进行结晶,使这项技术适合样品结晶学的历史上被挑战。这包括膜蛋白和大的复合体,这两个难以形成足够的接口符合晶格。低温电子显微镜也非常适合用于膜蛋白稳定性的方法,如脂质nanodiscs和洗涤剂胶束。

在实践中SARS-CoV-2 3蛋白质:低温电子显微镜

随着全球继续应对COVID-19连续第二年,越来越清楚的是,coronavirus-related疾病是我们未来的不可避免的夹具。发现和分析SARS-CoV-2峰值蛋白质展示了巨大的权力结构生物学的关键作用在高效疫苗的开发。现在,研究人员正加紧扩大我们对冠状病毒的理解为了跟上新疾病的出现变异。这不仅包括变异的快速结构分析蛋白质,但也调查其他冠状病毒的蛋白质可能作为额外的治疗性疫苗和/或目标。

3二聚体的低温电子显微镜图MSP1E3D1 nanodiscs 2.1——名义决议。来源:加州大学伯克利分校的大卫·科恩。

在这些潜在的目标是大3开放阅读框编码的蛋白3 (ORF3a)地区的冠状病毒基因组。3是一个假定的离子通道,发现在感染细胞可能与细胞死亡有关以及急性呼吸道症状患者的疾病。3膜蛋白,本质上是难以分离和结晶由于其疏水性,使其理想目标与低温电子显微镜进行调查。研究人员Brohawn和包蒂斯塔集团在加州大学伯克利分校奋起迎接挑战,最近出版的低温电子显微镜结构3一分之一《自然结构和分子生物》上文章。利用脂质nanodiscs,他们能够孤立个人3单粒子的蛋白质分析,确定其结构为2.1一项决议。这种层次的细节使他们能够想象极地腔内部以及外部亲水凹槽,两个潜在的离子传导治疗感兴趣的区域。3像蛋白质在冠状病毒的流行使得这些观察一个激动人心的第一步选择,靶向治疗SARS-CoV-2和类似的疾病。

结构生物学的未来

低温电子显微镜是结构生物学革命与新见解,支持建立方法,长期以来被视为是站不住脚的。当研究人员开始之间的桥梁细胞和分子的见解,他们可以概念化蛋白质功能与细胞行为和最终生理学。这些观察可以导致高度精确的发展,有针对性的治疗疾病和障碍,我们已经开始看到在对抗冠状病毒。这是一个激动人心的,关键在结构生物学低温电子显微镜正在成为一个主要参与者。

关于作者:

Abhay Kotecha是应用程序管理器,科学家们热费希尔科学。
亚历克斯Ilitchev是领导科学编辑热费希尔科学。