2013年Nogales的团队拼接了调控DNA转录成RNA的复合体的结构。他们发现,复合体的一个臂上悬挂着紧绕DNA链的10纳米结构,这段结构可能影响基因转录。Nogales表示,这个结构很漂亮,它可以帮助我们分析这个分子起作用的机制。
小而漂亮
现在低温电镜迅猛发展,专家们正在寻找更大的挑战作为下一个解析目标。对很多人来说,最想解析的是夹在细胞膜内的蛋白。这些蛋白是细胞信号通路中的关键分子,也是比较热门的药物靶标。这些蛋白很难结晶,而低温电子显微镜不大可能对单个蛋白进行成像,这是因为很难从背景噪音中提取这些信号。
这些困难都无法阻挡加利福利亚大学(University of California)的生物物理学家程亦凡。他计划解析一种细小的膜蛋白TRPV1。TRPV1是检测辣椒中引起灼烧感的物质的受体,并与其它痛感蛋白紧密相关。加利福利亚大学病理学家David Julius等人之前尝试结晶TRPV1,结果失败。用低温电子显微镜解析TRPV1项目,一开始进展缓慢。但2013年底,技术进步使得这一项目有了重大突破,他们获得了分辨率为0.34纳米的TRPV1蛋白的结构。该成果的发表对于领域来说,无异于惊雷。因为这证实了低温电子显微镜能够解析小的、重要的分子。“当我看到TRPV1的结构时,我激动得一晚上睡不着觉。”Rubinstein说道。
研究者们可能面临更多这样无眠的夜晚。Agard表示,会有更多膜蛋白相继被解析出来。
上个月由Scheres和清华大学的结构生物学家施一公合作发表的一篇文章就成功解析了一个膜蛋白。他们建立了γ-分泌酶的模型,γ-分泌酶负责合成与阿兹海默症相关的β-淀粉斑。0.34纳米分辨率的图谱显示,比较少见的遗传性阿尔茨海默病的γ-分泌酶突变后会在图谱上呈现两个“热点”(突变或者重组频率显着增加的位点),并且这种突变最终会合成有毒性的β-淀粉斑。γ-分泌酶的结构图帮助研究者发现为什么以往的抑制剂会无效,从而促进新药的研发。程亦凡表示,γ-分泌酶的结构非常惊人。
类似的成功吸引了制药公司的注意。他们希望借助低温电子显微镜去解析那些无法结晶的蛋白,从而更好地研发药物。Scheres如今和辉瑞公司合作,攻克离子通道。离子通道包含很多膜蛋白,例如痛感受分子和神经递质受体。“我几乎被每一个人联系过。”Nogales这样说道。
尽管低温电子显微镜发展迅速,很多研究者认为,它仍有巨大提升空间。他们希望能制造出更灵敏的电子探测器,以及更好地制备蛋白样本的方法。这样的话,就能够对更小的、更动态的分子进行成像,并且分辨率更高。5月,有研究者发表了一篇细菌蛋白的结构,分辨率达到了0.22纳米。这也显示了低温显微镜的潜力。
与任何热门领域一样,低温电子显微镜的发展也有烦恼。一些专家担心研究者们盲目追求该仪器会诱发一些问题。2013年HIV表面蛋白的结构图遭到了科学家们的质疑,他们认为用于建模的图片很多都是白噪声。此后,其他团队得到的X射线晶体衍射和低温电子显微镜模型也对原模型提出了质疑。但这些研究者们坚持相信自己的结果。今年6月,在高登研究会议(Gordon Research Conference )上,研究者们希望低温电子显微镜的结构图要有严格的质量控制。并且杂志要求作者们提供详细的建模方法。