定格显微镜捕捉分子在DNA上的“锁定和负载”

转录因子IID复合物锁定DNA，检查it’s在正确的位置，然后招募其他蛋白质开始将DNA转录成RNA。低温电子显微镜的新进展使研究人员能够在锁定和加载时定义TFIID的五种不同构象。(伊娃诺加利斯实验室)

加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)的科学家们突破了冷冻电子显微镜的极限，捕捉到了一个巨大分子不断变化的形状的定格。这个巨大分子是人体的关键分子机器之一。

这种被称为转录因子IID的分子对于将基因转录成RNA至关重要，而RNA随后将被用作制造蛋白质的蓝图。然而，由于TFIID的运动部件多、尺寸大，其三维结构一直难以捕捉:运动部件变得模糊。

低温电子显微镜(Cryo-EM)是一种成像技术，它的发现者获得了2017年诺贝尔化学奖，是获得这种体积庞大、松软结构快照的唯一方法。高分辨率的结构信息对于理解TFIID如何翻译我们基因组中的操作指令以及它有时如何失控是至关重要的。

新的、更详细的分子运动部件快照可以帮助药物设计师创造出干扰分子结构变化的药物，从而调整导致疾病的基因的表达。

“这些结构给你潜在的合理设计小分子干扰正常功能的,因为现在我们don’t刚刚一个结构,我们有很多结构,这是更加强大,因为我们可以针对我们现在看到的运动,”伊娃诺加利斯说,加州大学伯克利分校教授的分子和细胞生物学教师在劳伦斯伯克利国家实验室的科学家。

诺加利斯和她的同事，其中最著名的是加州大学伯克利分校的研究生阿维纳什·帕特尔和罗伯特·贝尔格尔，本周在《科学》杂志的印刷版发表之前，将他们的发现发布在了网上。

“你坚持药物以及如何使药品操作是高度依赖于这些结构的瞬态特性,这是我们意识到只有最近,”Robert Tjian说,加州大学伯克利分校教授的分子和细胞生物学发现TFIID并一直从事分子他职业生涯的大部分时间里,虽然他并不是一个新论文的作者之一。“因为这些分子在移动，而且它们的结构非常复杂，传统的药物发现永远无法揭示发生了什么。Eva的结构会改变这一点。这有可能打开可用药目标的世界。”

冻结分子

TFIID是由十几种不同的蛋白质聚集而成的，这些蛋白质聚集在启动子上——启动子是控制附近基因转录的DNA区域——并测试序列以确保它落在正确的位置。一旦得到证实，它就会开始招募其他几十种蛋白质，然后这些蛋白质就会开始沿着基因进行棘轮运动，利用DNA序列作为模板，创造出互补的RNA序列，称为信使RNA。然后它从细胞核进入细胞，在那里它被其他分子机器翻译成蛋白质。

TFIID是一种蛋白质复合物，它启动DNA编码的body’s操作指令的转录。

“TFIID可能是所有人试图解决的最困难的结构，因为它是巨大的，而且高度灵活，”Tjian说。“你能看到这些非常灵活的结构的唯一方法是通过低温电子显微镜，Eva现在可以冻结所有这些不同的灵活状态，并描述运动。”

低温电子显微镜包括将含有数百万个分子副本的液滴以任何可以想象的方向冷冻起来，并使用电子显微镜结合图像来确定其结构，从而确定其三维形状。因为TFIID在与DNA结合并准备转录基因时，有许多活动的部分，所以平均所有的冷冻位置会产生一个模糊的图像。

诺加利斯将她之前为TFIID成像所做的努力(包括她自己近20年前的尝试)与为一支足球队在球场上拍照并平均所有球员的动作进行了比较。结果是一个普通的人类躯干，头部和四肢模糊。

想象一下足球场

现在，由于帕特尔和更大声两年多的密集工作，有可能捕捉到更高分辨率的图像，这类似于区分前锋的腿踢与守门员的手挡和后卫的头球。

她说:“想象一下，你有一张场上22名足球运动员的照片，你要把他们组合成一个整体，你可以称他们为‘普通足球运动员’。”“它看起来会像一张模糊的
2照片，你几乎看不到it’s是人形，而且有某种运动，但你不会意识到玩家之间存在差异。”

改进后的图片是伯克利实验室的同事们最初开发的更好的探测器的结果，并不断改进计算机算法来分析探测器收集的大量数据。这帮助诺加利斯和她的团队定义了五种不同的TFIID分子结构。

诺加利斯说:“它们跨越了整个结合序列:在与DNA结合之前，最初与启动子结合，然后在它再次检查这是正确的位置之后，再进行结合，最后进入状态。”

她和她的同事们继续推进cryo-EM的极限，希望在其他转录蛋白落在TFIID上完成转录过程后，确定TFIID的三维结构。

Nogales的合作者包括加州大学伯克利分校和伯克利实验室的Avinash Patel和Robert Louder以及伯克利实验室的Basil Greber。这项研究由美国国家普通医学研究所(R01-GM63072, R01-GM053451, P50-GM076547)和美国国家癌症研究所(R21-CA175849)资助。

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