本文中，小編整理了近期科學家們在冷凍電鏡研究領域取得的新進展，分享給大家！
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【1】Cell Discov：揭示人源DNA復制起始復合物ORC的冷凍電鏡結構
doi：10.1038/s41421-020-00232-3
2020年11月24日，北京大學生命科學學院高寧研究組在Cell Discovery雜志發表題為“Structural insight into the assembly and conformational activation of human origin recognition complex”的研究論文，報道了人源DNA復制起始復合物ORC組裝過程中兩個關鍵復合物ORC2-5和ORC1-5的冷凍電鏡結構，從結構上部分闡釋了人源復制起點識別復合物ORC的分步組裝和逐步激活的分子機制。
真核生物DNA復制包含有一個復雜的復制起始調控機制，以保證在一個細胞周期內基因組僅復制一次。復制起始的第一步是由ORC（由ORC1-6六個亞基組成）識別并標記DNA復制起始位點，然后招募復制解旋酶，組裝成復制體。ORC的功能紊亂與一些人類疾病直接相關，ORC亞基的突變與罕見遺傳發育疾病MGS（Meier-Gorlin syndrome）直接相關。MGS患者在胚胎期生長遲緩并伴隨多種發育畸形，出生后發育也嚴重受阻并導致身材矮小、小耳癥和膝蓋骨缺失等癥狀。此外，一些致病性DNA病毒（如人類皰疹病毒）需要劫持人源DNA復制系統進行病毒基因組的復制，它們通過招募ORC到病毒DNA復制起點實現這一過程。
doi：10.1126/science.abd1673
在轉錄階段，RNA需要在正確的位置終止，究竟是誰在負責這一過程？五十年前，科學家們推測到一個可能的模型：一種六聚體環狀的RecA家族RNA轉位酶ρ（Rho），能夠先與RNA結合，參與ATP驅動的RNA聚合酶向RNA的轉位，當RNA聚合酶停止時，ρ便幫助特定的RNA片段從DNA上離開。這也是教科書里面給我們的解釋。但是，一些研究者意識到這種說法證據不足，轉錄終止機制依然不明。
近日，由柏林自由大學的Markus C. Wahl團隊和俄亥俄州立大學的Irina Artsimovitch團隊共同在Science雜志上發表題為Steps toward translocation-independent RNA polymerase inactivation by terminator ATPase ρ的研究論文。在這篇研究論文中，作者采用冷凍電鏡（cyroEM）單顆粒分析技術解析了ATP酶ρ在發揮作用過程中所形成的轉錄復合體的結構，捕獲了大腸桿菌DNA上RNA聚合酶轉位的圖像，揭示了ρ終止基因表達的真正過程，再次加深了我們對轉錄過程的精確認識。因為ρ能夠在幾分鐘甚至幾秒鐘的時間內使復合物解體，所以這個復合體非常難以獲得。研究人員非常巧妙地使用冷凍電鏡，在復合物解體之前，捕獲了在大腸桿菌中的DNA模板上運行的RNA聚合酶的圖像。結果表明在ρ介導的延伸復合體（elongation complex，EC）解體的途徑中，RNA聚合酶（RNAP）、轉錄因子NusA和NusG發揮了關鍵作用。
【3】Nature子刊：解析朊病毒蛋白淀粉樣纖維冷凍電鏡結構
doi：10.1038/s41594-020-0441-5
2020年6月8日Nature Structural & Molecular Biology以長文（Article）形式在線發表了武漢大學團隊和中國科學院上海有機所交叉中心團隊的最新研究成果。研究人員首次在原子水平上解析了全長朊病毒蛋白纖維的高分辨率冷凍電鏡結構，揭示了細胞型朊蛋白向病理型朊病毒蛋白結構轉變的分子機制，為發展新的基于朊病毒蛋白纖維結構的prion疾病治療藥物奠定了基礎。
傳染性海綿狀腦病（TSE）或prion疾病是一類致死的神經退行性疾病，由朊病毒蛋白（PrP）在體內發生錯誤折疊而引起，影響包括人在內的多種哺乳動物。朊病毒蛋白由宿主基因PRNP編碼，正確折疊的蛋白質不僅沒有致病性和感染性，還具有重要的生理功能；其錯誤折疊后則會轉變為具有感染性的朊病毒(prions)，能夠使許多哺乳動物患病，給人類健康帶來了重大威脅。
【4】Cell Res：人源七聚體Pannexin 1通道的冷凍電鏡結構研究取得進展
3月12日，Cell Research 期刊在線發表了題為《人源七聚體Pannexin 1通道的冷凍電鏡結構》的研究論文。該研究由中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心（神經科學研究所）、上海腦科學與類腦研究中心、神經科學國家重點實驗室竺淑佳研究組與復旦大學生物醫學研究院王磊課題組和中科院上海藥物研究所余學奎課題組聯合完成。
細胞之間的交流是細胞發育及細胞穩態維持的基礎。Pannexin蛋白通道家族是一類大孔徑通道，在細胞與細胞之間的交流過程中起著至關重要的作用。其中，Pannexin 1是研究最為廣泛的一種亞型。它廣泛參與三磷酸腺苷（ATP）及離子的通透，與多種生理功能和病理機制密切相關。前期，復旦大學王磊課題組在四個獨立家系中發現由Pannexin1基因突變引起的孟德爾顯性遺傳病，這些突變體通過影響蛋白糖基化和加速 ATP 釋放最終導致卵子死亡（Sang et al.， Sci Transl Med. 2019）。在此研究中，竺淑佳研究組通過爪蟾卵母細胞的電生理實驗，證實這些突變體可以激活Pannexin 1通道的活性。但因缺乏Pannexin通道蛋白的高分辨率三維結構，限制了這些突變體分子機制的解析及靶向藥物的設計。
【5】Nat Commun：解析人類皰疹病毒6B型近原子分辨率冷凍電鏡結構
doi：10.1038/s41467-019-13064-x
近日，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心、生命科學學院教授畢國強課題組、美國加州大學洛杉磯分校教授周正洪課題組與華東師范大學研究員梅曄合作，利用高分辨冷凍電鏡單顆粒分析技術首次解析了人類皰疹病毒6B型的近原子分辨率結構。相關研究成果以Atomic structure of the human herpesvirus 6B capsid and capsid-associated tegument complexes 為題，于11月25日在線發表在Nature Communications雜志上。
人類皰疹病毒6型（HHV-6）屬于皰疹病毒家族β皰疹病毒亞家族，根據其表面抗原不同，又被分為HHV-6A和HHV-6B兩類密切相關的病毒類型。很多幼兒都會被HHV-6病毒感染，并可能產生發燒、腹瀉、紅疹等臨床癥狀；HHV-6病毒能夠在人體中終身潛伏，并在免疫力低下的人群中引發嚴重疾病，它在腦組織中的二次爆發將導致患者認知紊亂、殘廢或者死亡；研究顯示，HHV-6病毒甚至還與阿茲海默癥和癲癇有關。HHV-6病毒的感染造成了廣泛的危害，但目前尚沒有其病毒高分辨結構，以及基于結構的藥物或者疫苗抗病毒方案。由于與宿主細胞高度黏合，HHV-6B很難實現體外增殖培養，這成為其原子分辨率結構解析的一大難題。
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【6】Nat Commun：中國科學家拓展冷凍電鏡解析生物大分子結構的分辨極限
冷凍電鏡（cryo-EM）單顆粒分析技術已經成為結構生物學眾多結構解析方法中異軍突起的一支，在膜蛋白的結構解析中更是發揮著與日俱增的作用。目前的冷凍電鏡單顆粒技術已經能較容易地將分子量大于300千道爾頓且生化性質穩定的蛋白質解析至近原子分辨率（約3 埃水平）。但由于小分子量蛋白質（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，小分子量蛋白質的高分辨解析工作對目前的技術手段而言仍然是很大的挑戰。
在國家重點研發計劃“蛋白質機器與生命過程調控”重點專項的支持下，清華大學王宏偉教授團隊研發利用球差校正器-電壓相位板聯用冷凍電鏡成像系統，大幅度地提升了蛋白質顆粒在照片中的襯度，同時又保存了足夠多的高分辨率結構信息用于后期三維重構。在此基礎上，利用自主研制的單層大單晶石墨烯載網來冷凍蛋白質樣品，使得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構變化，保存了更完整的結構信息。結合兩種技術的優勢，分別得到了分子量大小為52千道爾頓的鏈霉親和素蛋白，以及在結合與未結合小分子生物素兩種狀態的近原子分辨率結構，創造了利用單顆粒技術解析近原子分辨率蛋白結構的分子量最小值新紀錄，拓展了該技術的應用極限。
【7】Nat Methods：科學家提出一種新型的冷凍電鏡三維重構算法
doi：10.1038/s41592-018-0223-8
近期，清華大學生命科學學院李雪明研究組等機構的科學家們在Nature Methods雜志上發表了“A particle-filter framework for robust cryoEM 3D reconstruction”的研究論文。該工作通過將電子工程應用中的粒子濾波算法引入到冷凍電鏡三維重構中，大幅提高了對系統參數的搜索能力和對系統誤差的容忍度；通過進一步融合高性能計算的方法，最終實現了對生物大分子結構高效高精度的三維重構。同期開發的THUNDER冷凍電鏡三維重構軟件系統集成了這些新算法和新特性，為未來冷凍電鏡海量圖像數據的實時分析，以及大規模的自動化應用提供了一個可靠的算法和軟件基礎；同時，也為解析接近原子分辨率的生物結構提供了一套魯棒、快速的解決方案，顯著降低了對用戶經驗的要求，益于冷凍電鏡技術的廣泛普及，助力在原子尺度上對生命活動進行觀察。
蛋白質是生命體的最主要組成元素，作為一種生物大分子機器，蛋白質功能的實現高度依賴于其復雜的三維原子結構。了解蛋白質的結構及其與功能的關系對探索生命的基本原理，理解疾病的分子機制以及藥物的研發具有重要的意義。冷凍電子顯微鏡，簡稱冷凍電鏡，使用電子束作為光源，是一種能在原子分辨率水平上觀察并測定蛋白質分子結構的有力工具。伴隨著最近幾年的技術突破，冷凍電鏡三維重構技術成為測定蛋白質及其復合物結構的關鍵技術。冷凍電鏡三維重構的基本方法是，首先利用冷凍電鏡對冷凍于液氮溫度的生物大分子顆粒進行成像，以獲得數萬到數百萬張生物大分子照片，然后通過一定的算法來整合這些圖像，計算出生物大分子的三維結構。這其中三維重構算法是核心內容，用于測定出每一張照片的諸多參數，例如空間取向，然后才能將二維的照片整合重構出三維的結構。因為照片的數量巨大，且圖像信號極其微弱，如何精確計算測定每張照片的參數，以達到超過0.4甚至0.2納米的分辨率，一直以來都是冷凍電鏡技術研究的重點和難點。
【8】Nature & Science：冷凍電鏡技術揭示Hedgehog信號復合體的結構
doi：10.1126/science.aas8843 doi：10.1038/s41586-018-0308-7
Hedgehog信號通路對于胚胎細胞的發育具有重要的作用，該信號的缺失會導致先天性缺陷的發生。然而，對于多數癌癥。例如基底細胞癌、腦癌、乳腺癌以及前列腺癌來說，該信號的強度卻失去了控制。
冷凍電鏡技術的發展幫助我們揭示了Hedgehog信號的分子機制。通過對蛋白結構的進一步認知，能夠幫助我們開發靶向該信號的藥物分子。在最近發表在《Science》雜志上的一篇研究中，來自西南醫學中心以及洛克菲勒大學的研究者們解析出了原子水平的蛋白結構。研究結果顯示，兩個PTCH-1分子能夠同時結合一個Hedgehog（HH）分子，但結合位點處于不同的部位。這一結合方式對于該信號的傳遞是十分必要的。
冷凍電鏡的好處在于能夠將樣品溫度降至足夠低，從而不會有冰晶的產生。這一技術對于觀察分子結構具有很大的幫助。在上個月發表在《Nature》雜志上的文章中，作者等人利用冷凍電鏡技術解析了PTCH1與HH一對一的結合結構。生化檢測結果表明這種結合方式并不能充分地釋放其活性。
【9】Nature：科學家如何利用冷凍電鏡技術闡明主要藥物靶點之間的相互作用？
doi：10.1038/s41586-018-0215-y
近日，一項刊登在國際雜志Nature上的研究報告中，來自美國國家癌癥研究所的科學家們通過研究首次對人體大型細胞通信網絡的兩大關鍵組分之間的相互作用進行了直觀性地研究，該研究有望幫助研究人員開發出治療偏頭痛和癌癥等一系列疾病的副作用較小的高效療法。
文章中，研究人員利用了一種新型的原子分辨率成像技術揭示了，名為視紫紅質的G蛋白偶聯受體（GPCR）能綁定到抑制性的G蛋白上，從而就為研究人員提供了一種藍圖，來設計高精準性的選擇性藥物。研究者H. Eric Xu博士說道，闡明這種復合物的結構有望開啟分析GPCR故事缺失的一章，從而就能揭示這兩種分子是如何以一種精細化地方式相互作用的。生物學中的一切都是基于分子間的相互作用，因此關于兩種分子的結構如何發揮作用，我們知道的越多，我們就越能掌握更多信息去改善并且開發副作用較小的藥物。如今研究人員的發現也基于使用了一種名為冷凍電鏡（cryo-EM）的革命性技術，該技術能幫助科學家們更加清晰地觀察他們難以想象的分子。Sriram Subramaniam博士說道，利用冷凍電鏡技術獲得重要藥物靶點的結構信息，比如多種狀態下的GPCRs，這就說明如今研究人員可以利用這些方法用來發現新藥物了。
