生命學(xué)院王宏偉課題組在《自然·通訊》上發(fā)表文章報(bào)道目前利用冷凍電鏡方法解析的最小分子量蛋白
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院王宏偉教授領(lǐng)導(dǎo)的研究組及合作者，在2019年6月3日于《自然·通訊》（Nature Communications）在線發(fā)表題為《分子量52千道爾頓的鏈霉親和素蛋白的3.2埃分辨率冷凍電鏡單顆粒三維重構(gòu)》（Single particle cryo-EM reconstruction of 52 kDa streptavidin at 3.2 Angstrom resolution）的冷凍電鏡方法學(xué)研究論文。該研究成果創(chuàng)造了利用冷凍電鏡單顆粒方法解析至近原子分辨率生物大分子分子量最小記錄。同時(shí)，該研究中發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)有單顆粒樣品中氣液界面對蛋白分子顆粒性質(zhì)影響的關(guān)鍵證據(jù)，對傳統(tǒng)理論進(jìn)行了有力的補(bǔ)充，也為未來方法學(xué)的發(fā)展起到積極的推動作用。
52 kDa鏈霉親和素蛋白原始數(shù)據(jù)及三維重構(gòu)示意圖
近年來，冷凍電鏡（cryo-EM）單顆粒分析技術(shù)（single particle analysis，SPA）成為結(jié)構(gòu)生物學(xué)眾多結(jié)構(gòu)解析方法中異軍突起的一支。目前的冷凍電鏡單顆粒技術(shù)已經(jīng)能較容易地將分子量大于300千道爾頓且生化性質(zhì)穩(wěn)定的蛋白質(zhì)解析至近原子分辨率（約3 埃水平）。但由于小分子量蛋白質(zhì)（一般為小于200千道爾頓）顆粒在冷凍樣品中襯度不足等原因，小分子量蛋白質(zhì)的高分辨解析工作對目前的技術(shù)手段而言仍然是很大的挑戰(zhàn)。針對冷凍電鏡技術(shù)缺陷，近年來一些新型電子光學(xué)硬件也開始投入使用，電壓相位板（volta phase plate，VPP）是其中最具有代表性的新型硬件之一。電壓相位板的應(yīng)用能夠大幅度地提升蛋白質(zhì)顆粒在照片中的襯度，同時(shí)又能夠保存有足夠多的高分辨率結(jié)構(gòu)信息用于后期三維重構(gòu)。但目前還缺乏對電壓相位板的系統(tǒng)性研究和使用經(jīng)驗(yàn)，仍需要對該硬件的特性進(jìn)行更詳細(xì)地測試與開發(fā)，以期能廣泛應(yīng)用在小分子量蛋白解析工作中。
王宏偉實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合先前開發(fā)的球差校正器-電壓相位板聯(lián)用冷凍電鏡成像系統(tǒng)（Fan et al., 2017）及單層大單晶石墨烯載網(wǎng)（Zhang et al., 2017）的冷凍樣品制備技術(shù)對分子量大小為52千道爾頓的鏈霉親和素蛋白進(jìn)行結(jié)構(gòu)解析，分別得到了該蛋白結(jié)合與未結(jié)合小分子生物素兩種狀態(tài)近原子分辨率的結(jié)構(gòu)。這也創(chuàng)造了利用單顆粒技術(shù)解析近原子分辨率蛋白結(jié)構(gòu)的分子量最小值新紀(jì)錄。研究團(tuán)隊(duì)基于對數(shù)據(jù)的進(jìn)一步挖掘與分析，推測該方法也可能適用于分子量小至39千道爾頓的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析。最后，研究團(tuán)隊(duì)還對鏈霉親和素蛋白在氣液界面和石墨烯表面的分布狀態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)性研究，證明吸附在親水化石墨烯表面的蛋白分子免于氣液界面造成的分子結(jié)構(gòu)變化，保存有更完整的結(jié)構(gòu)信息。該結(jié)果是對氣液界面假設(shè)的有力支持，同時(shí)也證明所建立的方法能夠被更廣泛地應(yīng)用至小分子量蛋白質(zhì)冷凍電鏡研究中。
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授、高精尖創(chuàng)新中心PI王宏偉博士和清華大學(xué)冷凍電鏡平臺主管雷建林博士為該論文的共同通訊作者。2014級生命學(xué)院博士生范瀟，結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心王家博士為該論文共同第一作者。結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心張星博士、2018級博士生楊梓和趙玲云博士為課題的推進(jìn)做出重要貢獻(xiàn)。北京大學(xué)化學(xué)院彭海琳課題組博士生張金燦制備了大單晶石墨烯電鏡載網(wǎng)。本研究獲得了清華大學(xué)冷凍電鏡平臺的大力支持，所有的冷凍電鏡數(shù)據(jù)均采集于國家蛋白質(zhì)科學(xué)（北京）設(shè)施清華大學(xué)冷凍電鏡平臺，數(shù)據(jù)處理工作獲得了國家蛋白質(zhì)科學(xué)（北京）設(shè)施清華大學(xué)高性能計(jì)算平臺的支持。本工作獲得了國家自然科學(xué)基金委、科技部、北京市科委和北京市結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心等的大力支持。
原文鏈接: https://doi.org/10.1038/s41467-019-10368-w
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