高端顯微鏡揭示了關(guān)鍵代謝酶的結(jié)構(gòu)和功能

酶轉(zhuǎn)氫酶在調(diào)節(jié)動物和人類的代謝過程中起著重要作用。功能障礙可導(dǎo)致嚴重的疾病。奧地利科學(xué)技術(shù)研究所(IST奧地利)的結(jié)構(gòu)生物學(xué)家首次在該研究所新安裝的高端低溫電子顯微鏡的支持下，對酶的原子結(jié)構(gòu)進行了可視化和分析。“ 自然 ”雜志上發(fā)表的這項研究與目前尚未開發(fā)的治療方案的開發(fā)相關(guān)。

在每個細胞內(nèi)，線粒體不斷地分解來自食物的分子以產(chǎn)生能量以及產(chǎn)生用作細胞構(gòu)建塊的新分子。平衡這兩個相反的過程是通過稱為質(zhì)子轉(zhuǎn)位轉(zhuǎn)氫酶或NNT(煙酰胺核苷酸轉(zhuǎn)氫酶)的酶實現(xiàn)的。NNT位于線粒體膜中，利用細胞呼吸產(chǎn)生的電化學(xué)質(zhì)子梯度為線粒體提供恰當(dāng)量的輔酶NADPH，這是一種重要的代謝前體。

NNT的正常功能對包括人在內(nèi)的所有動物的代謝調(diào)節(jié)至關(guān)重要。然而，由于缺乏對酶原子結(jié)構(gòu)的了解，NNT如何通過膜完成質(zhì)子的協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)移和NADPH合成的細節(jié)仍然模糊不清。Domen Kampjut，博士 IST奧地利的學(xué)生，他的主管兼組長Leonid Sazanov教授現(xiàn)在首次將哺乳動物NNT分子可視化，使他們能夠識別酶通道門控的結(jié)構(gòu)原理，從而獲得更深入的了解它的功能(和故障)。

只有利用低溫電子顯微鏡(cryo-EM)中最先進的技術(shù)發(fā)展，即所謂的“分辨率革命” ，才能對NNT酶進行原子分析。目前研究的部分數(shù)據(jù)是使用僅在2018年秋季在奧地利IST安裝的新型低溫電子顯微鏡生成的。

NNT的低溫EM分析涉及大量耗費時間和精力的圖像處理，在各種構(gòu)象狀態(tài)下提供了分子三個不同域的原子分辨率圖像。

打開質(zhì)子門和新形式的醫(yī)療

通過這些圖像，結(jié)構(gòu)生物學(xué)家可以展示結(jié)合NADPH的結(jié)構(gòu)域如何打開質(zhì)子通道到線粒體膜的任一側(cè)。第一作者Domen Kampjut說，“NNT已經(jīng)研究了幾十年，但是X射線晶體學(xué)等經(jīng)典成像方法未能對其結(jié)構(gòu)進行詳細研究，因為它具有高度動態(tài)性。此外，像NNT這樣的膜蛋白特別是研究具有挑戰(zhàn)性，因為它們很脆弱，難以凈化大量的晶體學(xué)所需。因此，只有使用cryo-EM才能最終清楚地看到質(zhì)子轉(zhuǎn)移是如何起作用的 - 并且在此過程中，找到一個缺失的謎題了解如果不起作用該怎么做。“

Leonid Sazanov教授補充說：“這些結(jié)構(gòu)特別令人興奮，因為轉(zhuǎn)氫酶通過旋轉(zhuǎn)整個相當(dāng)大的NADPH結(jié)合域180度'或'向下'來表現(xiàn)出驚人的轉(zhuǎn)變。據(jù)我們所知，這在研究的酶機制中是獨一無二的。然而，鑒于我們提出的機制，這種輪換現(xiàn)在完全有意義，它表明了大自然如何“創(chuàng)造性地”解決具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。“

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