蛋白质晶体学技术的发展与展望

从50年前英国科学家解析出第一个蛋白质晶体结构以来,蛋白质晶体学历经数个里程碑式的发展,已经成为一门成熟的高科技学科,是结构生物学的主要研究手段。近年来结构生物学发展迅速并和其他学科相互渗透交叉,特别是受到结构基因组学等热点学科的极大带动。作为结构生物学的基本手段和技术,蛋白质晶体学从解析简单的蛋白质三维结构延伸到解决各类生物大分子及复合物结构,并更加注重研究结构与功能之间的相互关系,派生出诸如基于结构的药物设计等应用性很强的分支。生物技术及计算机技术的飞速发展,尤其是高通量技术在生物学领域的应用,为蛋白质晶体学带来了全新的概念和更加广阔的前景。文章将主要介绍蛋白质晶体学技术的一些历史发展以及对未来的展望。     

生物三维电子显微学进入全新高速发展时期

生物三维电子显微学主要由三个部分组成——电子晶体学、单颗粒技术和电子断层成像术,其结构解析对象的尺度范围介于x射线晶体学与光学显微镜之间,适合从蛋白质分子结构到细胞和组织结构的解析。以冷冻电镜技术与三维重构技术为基础的低温电子显微学代表了生物电子显微学的前沿。低温单颗粒技术对于高度对称的病毒颗粒的解析最近已达到3．8A分辨率,正在成为解析分子量很大的蛋白质复合体高分辨结构的有效技术手段。低温电子断层成像技术目前对于真核细胞样品的结构解析已达到约40A的分辨率,在今后5年有望达到20A。这样,把x射线晶体学、NMR以及电镜三维重构获得的蛋白质分子及复合体的高分辨率的结构,锚定到较低分辨率的电子断层成像图像中,从而在细胞水平上获得高精确的蛋白质空间定位和原子分辨率的蛋白质相互作用的结构信息。这将成为把分子水平的结构研究与细胞水平的生命活动衔接起来的可行途径。     

封面故事

<正>电子显微镜三维重构技术近年来有了飞速的发展,已逐渐成为研究生物大分子复合体三维结构的重要手段。电子晶体学、单颗粒三维重构技术和电子断层技术是电子显微     

低温电子断层扫描术及其应用

低温电子断层扫描术（cryo—electron tomography,cryo—ET）是一种最近才开始应用于探索生物体内部,尤其是细胞内结构的仪器,它将三维成像技术和保持完整细胞结构的样品制备方法有机结合,从而实现了在接近真实状态下高分辨率地观察大分子结构的目的。cryo—ET的出现使许多细胞内部精细结构如细胞器（细胞骨架、核孔复合体、核糖体等）得到了更为详细的阐明,从而为生命研究打开了一扇新的大门,同时cryo—ET也正在逐渐成为细胞生物学研究的必要工具之一。     

第三届中国结构生物学学术讨论会成功召开

团结合作,走向前沿第三届中国结构生物学学术讨论会于2010年3月3日～6日在海南三亚万嘉戴斯度假酒店成功召开。此次会议由中国晶体学会生物大分子专业委员会、中国生物物理学会分子生物物理专业委员会、中国电子显微学会冷冻电镜分会联合主办,中国晶体学会大分子专业委员会承办。梁     

冷冻电子显微学在结构生物学研究中的现状与展望

冷冻电子显微学近年来在电子显微镜的硬件设备及结构解析的软件算法等方面取得了多个重要的技术突破,正在成为结构生物学研究的重要技术手段,为越来越多的生物学研究者所重视.冷冻电子显微学的技术特点决定了它所具备的一些独特优势和发展方向,同时作为一个正在迅速发展的科学技术领域,需要多学科的交叉促进.本文主要介绍冷冻电子显微学的研究现状及面临的技术挑战,并提出未来可能实现结构生物学与细胞生物学不同尺度的研究在冷冻电子显微学技术上融合的新方法.     

低温电子显微技术在膜蛋白结构研究中的应用和展望

介绍了蛋白质电子晶体学和单颗粒分析技术这两种低温电子显微技术在膜蛋白和膜蛋白复合体结构研究中的具体方法和近10~20年来的实际应用,并分别分析了这两种方法的优势和瓶颈。此外,还介绍了Amphipol替代、Streptavidin二维晶体锚定脂质体和纳米球包被脂质体等近两年来出现的新的用于低温电镜成像的膜蛋白样品制备方法。最后对膜蛋白的低温电子显微研究的未来发展做了展望。     

预测蛋白质可结晶性研究进展

解析蛋白质的三维结构具有重要的生物学意义,更是蛋白质功能研究和理性药物设计的基础。目前解析蛋白质结构最重要的方法是X-射线衍射晶体学解析技术。但是运用该技术解析蛋白质结构的关键是获得高质量的蛋白质晶体。然而,据统计仅有42%的可溶纯化蛋白质能够得到晶体,即不同蛋白质的可结晶性表现不同。由于实验方法验证蛋白质的可结晶性耗时耗力,因此,有研究者运用计算机模拟的方法预测蛋白质的可结晶性,从而节省资源与成本并且提高实验的成功率。本文结合我们的研究工作,介绍了几种目前较为成功的蛋白质可结晶性预测方法及其研究途径。     

江浙蝮蛇毒性碱性磷脂酶A2新单斜晶型晶体结构测定

江浙蝮蛇毒碱性磷脂酶A2具有溶血和抗凝血活性。在不含正辛基吡喃葡萄糖苷（n-octyl β-o-glucopyranoside,简称β－OG）结晶条件下,培养出该酶新单斜晶型晶体。采用X射线晶体学方法,成功地解出了不对称单位含4个分子的新单晶型结构。在分子置换研究中心运用自身与交叉旋转函数的联合分析,在结构修正中使用非晶体学对称性制约,最终结构模型具有可接受的晶体学R因子和合理的立体化学参数。与已报道的结合β－OG的单斜晶型结构类似。新晶型中分子也形成具有二重对称性的、被界面识别部位连接的二体,两个二体再通过非晶体学二重轴联系形成一个赝222对称的四聚体。 结晶条件改变对四体在晶胞中的堆砌产生重要影响,导致晶胞参数的显著变化,然而对二体和四体本身影响较小,表明单斜晶型中观察到的二体与四体是稳定的。     

电子断层成像技术及其在细胞生物学中的应用

电子断层成像技术（electrontomography）是近年来发展起来一项三维成像技术,可以在纳米分辨率（2-10nm）水平上获得生物大分子及其复合物或聚集体、细胞器、细胞以及组织的三维结构,而且可以用于研究生物大分子在细胞中的定位、排列、分布以及相互作用,已逐渐成为细胞生物学领域中的一项重要技术手段。该文针对这项技术及其在细胞生物学中的应用作一简要介绍。     

使用电子断层技术对IgG1抗体逐个分子的三维重构与结构分析

抗体(antibody)又称免疫球蛋白(immunoglobulin,Ig),是人体免疫反应的重要参与者.了解抗体的结构和结构动态特征,是理解人体免疫作用机理、修复或提高免疫能力、定向设计抗体以治疗各种疾病的基础.本文以人体IgG1抗体为对象,综述了使用透射电子显微学方法研究IgG1抗体结构方向的最新进展.详细介绍了使用逐个分子的电子断层三维重构技术(individual-particle electron tomography,IPET)对抗体进行结构研究的方法,包括样品制备、图像处理和数据分析等.并描述了利用该技术,在研究抗体结合肽分子后的结构形变和通过收集不同构象来研究抗体动态结构特征方面所取得的阶段性成果.最后,对尚待解决的关键问题与该技术未来的发展方向进行了讨论与展望.     

结构生物学现状与展望学术讨论会

1996年9月15～21日在山东青岛市召开了以“结构生物学：现状与展望”为主题的学术讨论会,这是我国第一次全国性的结构生物学学术会议。会议受国家基金委员会生命科学部资助并参与组织,由中国生物物理学会分子生物物理专业委员会、理论生物物理专业委员会、中国晶体学会生物大分子晶体学专业委员会联合发起并承办。会议充分展示了我国结构生物学研究的现状,并联系国际发展,研讨了我国结构生物学今后的前进方向,提出了积极建议。梁栋材院士在会后指出,这次会议在我国结构生物学的发展里程中具有标志意义,将对推动我国结构生物学研究的…     

结构生物学研究的一些新进展

近年来,结构生物学的发展呈现出快速增长的新态势.精确测定的生物大分子结构以指数曲线增加,速率已达到5.1个/d.截止1998年4月的统计,已从PDB库释放出来的生物大分子原子坐标套数已达7 454.同时,以精确结构知识为基础揭示生命活动的规律已达到前所未有的深度和广度.在技术和方法方面,近年来第三代同步辐射的应用与一些新方法的结合,可用极小的晶体测定极大的结构,使某些膜蛋白及亚细胞器的精确结构测定成为可能.NMR溶液结构测定的分子质量已突破35 000,电子晶体学阐释结构的分辨率已接近0.3 nm,可探测的动态过程的时间尺度已达到10^－9 s.结构生物学与基因组学的结合正在产生一个新的科学领域：结构基因组学（structural genomics）,它在未来后基因组时代的生物学中占有重要地位.     

东亚钳蝎昆虫毒素研究进展

述了我国东亚钳蝎（Buthus martensii Karsch)昆虫神经毒素的分离、,纯化、性质、基因、结构、结晶及晶体学研究的概况。     

蛋白质晶体学与药物设计

蛋白质晶体学的发展,产生了根据药物靶分子三维结构知识开展药物设计的新研究方向。本文通过一些有代表性的研究工作,介绍目前了解到的药物分子与靶分子相互作用的结构基础以及以这些结构知识为依据开展药物设计的初步尝试。     

江浙蝮蛇毒碱性磷脂酶A2单斜晶体的培养和晶体学研究

江浙蝮蛇毒碱性磷脂酶Ａ_２单斜晶体的培养和晶体学研究牛秀田,孟五一,桂璐璐,王小强,林政炯（中国科学院生物物理研究所生物大分子国家重点实验室,北京１００１０１）顾培忠,周元聪（中国科学院上海生物化学研究所,２０００３１）关键词江浙蝮蛇毒碱性磷脂酶Ａ_２...     

生物高分辨电子显微学进展

生物高分辨电子显微学是近年来发展起来的一种可与X射线晶体学相媲美的测定生物大分子高分辨结构的方法．它克服了一些限制X射线晶体学应用的困难,可以直接对非晶体状态的生物大分子或仅能形成二维晶体的蛋白进行结构测定．这一技术主要包括高分辨电子显微象的获得与电子显微象解析．文章就这一技术应用中的一些问题：自然结构的保持、辐射损伤、低衬度、低信噪比等进行了讨论．     

工业应用导向的蛋白质结构与功能研究进展

在蛋白质工程、绿色生物制造以及合成生物学等研究领域中,对重要催化反应的重塑和合成路径的优化搭建,都依赖于对相关蛋白质结构与功能的深入了解。合成生物技术近年来的飞速发展对关键菌种及生物催化过程中的蛋白质的性能提出了更高要求,相关研究的关键是获得大批量、高纯度目的蛋白,并进行快速、准确的构效关系研究。中国科学院天津工业生物技术研究所建所10年来,在工业蛋白质领域进行了多年的积累,成功搭建成了蛋白质结构生物学平台;并在植物天然产物合成相关萜类合成酶、白色污染降解的聚对苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate, PET)塑料降解酶以及生物质转化利用相关酶等方面获得了一些进展,通过对这些蛋白进行结构和功能的研究,为许多研究工作提供了理论依据。蛋白质结构功能研究相关技术的不断发展,将加速合成生物学的学术和工业应用研究,推动我国生物制造领域的科技创新升级。     

蛋白酶体调节颗粒的结构生物学特征及其功能

蛋白酶体调节颗粒(regulatory particle,RP)参与调控许多重要信号通路的蛋白质降解,在维持细胞稳态中发挥重要作用.近年来,真核细胞蛋白酶体在癌症治疗中的作用机制及药物研发已引起了广泛关注,并有3种蛋白酶体抑制剂已用于临床治疗.随着蛋白酶体功能研究的不断深入,以及晶体学和冷冻电镜技术在其结构生物学研究中...     

RNA三维结构的测定:基于冷冻电子显微镜技术的新视角

RNA在人类生物学和疾病功能障碍中发挥重要作用.对于绝大多数RNA分子而言,复杂的高级结构是其发挥功能的先决条件.了解RNA的三维结构对于研究非编码RNA功能、致病机理以及开发靶向药物至关重要.然而,由于RNA的固有灵活性,实验测定其三维结构的难度较大.冷冻电子显微镜技术(冷冻电镜, cryo-EM)得益于探测器技术和软件算法的快速发展,且不受核磁共振对小分子量及X射线晶体学对结晶的要求所制约,近年来在其他结构分析方法中脱颖而出.本文概述近年来以冷冻电子显微镜技术为核心联用其他技术(如核磁共振、晶体学和理论建模等)解析RNA三维结构的研究进展,以促进RNA结构研究和RNA靶向药物设计的发展.