為了捕捉神話中怪物的威脅，圣誕老人馴鹿的狂亂，或者超級無敵寵物狗的奇想，動畫師們對靜態(tài)圖像進(jìn)行了排序，這些靜態(tài)圖像只是在圖像之間移動了一點(diǎn)點(diǎn)。類似于這種動畫技術(shù)，被稱為粘土動畫或定格動畫攝影，現(xiàn)在已經(jīng)被用來詳細(xì)描述大型dna結(jié)合蛋白復(fù)合物，轉(zhuǎn)錄因子IID (TFIID)的變形方式。TRIID不是由粘土制成的，但它是彎曲的，甚至是松軟的，而且它比一般的龍有更多的活動部件。

加州大學(xué)伯克利分校的科學(xué)家最近利用低溫電子顯微鏡(cryo-EM)捕捉到了清晰的TFIID快照。這些快照，科學(xué)家說，包括人類TFIID單獨(dú)和啟動子結(jié)合的不同階段的圖像。結(jié)合他們的低溫電子顯微鏡工作，化學(xué)交聯(lián)質(zhì)譜數(shù)據(jù)和生化重建，科學(xué)家確定了TFIID的完整結(jié)構(gòu)和復(fù)合物的功能構(gòu)象景觀。

這些發(fā)現(xiàn)很有價值，因?yàn)門FIID對于將基因轉(zhuǎn)錄成RNA至關(guān)重要，而RNA將被用作制造蛋白質(zhì)的藍(lán)圖。除了增進(jìn)我們對TFIID如何翻譯(有時無法翻譯)我們基因組的操作指令的理解之外，這些發(fā)現(xiàn)還可以幫助藥物設(shè)計(jì)者開發(fā)出干預(yù)分子結(jié)構(gòu)變化的藥物。這些藥物可以改變致病基因的表達(dá)。

加州大學(xué)伯克利分校研究小組的工作細(xì)節(jié)發(fā)表在《科學(xué)》雜志上，文章題為《人類TFIID的結(jié)構(gòu)和TBP加載啟動子DNA的機(jī)制》。文章提出了TFIID復(fù)合體的五種不同的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。“我們的研究，”這篇文章的作者寫道，“導(dǎo)致了一個TFIID和TFIIA將TATA-box結(jié)合蛋白(TBP)加載到啟動子上的機(jī)制模型，并為TFIID如何與染色質(zhì)結(jié)合、如何對轉(zhuǎn)錄激活因子作出反應(yīng)以及如何作為起始前復(fù)合物(PIC)組裝的支架提供了見解。”

“這些結(jié)構(gòu)給你潛在的合理設(shè)計(jì)小分子干擾正常功能的,因?yàn)楝F(xiàn)在我們沒有一個單獨(dú)的結(jié)構(gòu),我們有很多結(jié)構(gòu),這是更加強(qiáng)大,因?yàn)槲覀兛梢葬槍ξ覀儸F(xiàn)在看到的運(yùn)動,”伊娃諾加利斯說,博士,這項(xiàng)研究的資深作者、加州大學(xué)伯克利分校的分子和細(xì)胞生物學(xué)教授和教師在勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家。

你堅(jiān)持藥物以及如何使藥物運(yùn)營高度依賴于這些結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)特性,這是我們意識到只有最近,”羅伯特Tjian博士說,加州大學(xué)伯克利分校的分子和細(xì)胞生物學(xué)教授發(fā)現(xiàn)TFIID并一直從事分子他職業(yè)生涯的大部分時間里,雖然他并不是一個新論文的作者之一。“因?yàn)檫@些分子在四處移動，而且它們的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，傳統(tǒng)藥物的發(fā)現(xiàn)永遠(yuǎn)無法揭示發(fā)生了什么。”諾加利斯博士的結(jié)構(gòu)將會改變這一點(diǎn)。這有可能打開可下藥目標(biāo)的宇宙。

TFIID是一種由十幾種不同的蛋白質(zhì)聚集而成的蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)位于啟動子上，啟動子是DNA的一個區(qū)域，控制附近基因的轉(zhuǎn)錄。一旦這一點(diǎn)得到證實(shí)，它就會開始招募其他數(shù)十種蛋白質(zhì)，然后這些蛋白質(zhì)開始沿著基因棘輪化，利用DNA序列作為模板，生成一種互補(bǔ)的RNA序列，稱為信使RNA (messenger RNA)。然后它從細(xì)胞核進(jìn)入細(xì)胞體內(nèi)，在那里它被其他分子機(jī)器翻譯成蛋白質(zhì)。

“TFIID可能是所有人試圖解決的最困難的結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗w積龐大，而且高度靈活，”Tjian博士說。“你能看到這些非常靈活的結(jié)構(gòu)的唯一方法是通過低溫電子顯微鏡，諾加利斯博士現(xiàn)在可以冷凍所有這些不同的靈活狀態(tài)，并描述運(yùn)動。”

Cryo-EM涉及到將含有數(shù)百萬個分子副本的液滴以任何可以想象的方向冷凍，并使用電子顯微鏡結(jié)合圖像來確定其三維形狀，從而確定其結(jié)構(gòu)。因?yàn)門FIID在與DNA結(jié)合并準(zhǔn)備轉(zhuǎn)錄基因的過程中有很多活動的部分，平均所有冷凍的位置會產(chǎn)生一個模糊的圖像。

諾加利斯將TFIID之前的成像努力(包括她自己近20年前的嘗試)比作在球場上給足球隊(duì)拍照，并對所有球員的動作取平均。其結(jié)果是一個頭部和四肢模糊的人類軀干。

現(xiàn)在，多虧了帕特爾兩年多的高強(qiáng)度工作和更響亮的聲音，我們有可能捕捉到更高分辨率的圖像，類似于區(qū)分前鋒的腿踢、守門員的手擋和后衛(wèi)的頭球。

她說:“想象一下，你有一幅場上22名足球運(yùn)動員的圖像，你要把他們組合成一個整體，你可以稱之為‘普通足球運(yùn)動員’。”“它看起來會像一張模糊的圖片——你幾乎看不出它是人形的，也看不出它有某種運(yùn)動，但你不會意識到玩家之間存在差異。”

改進(jìn)后的圖片是伯克利實(shí)驗(yàn)室同事開發(fā)的更好的檢測器的結(jié)果，它穩(wěn)步改進(jìn)了計(jì)算機(jī)算法，可以分析檢測器收集的大量數(shù)據(jù)。這幫助諾加利斯博士和她的團(tuán)隊(duì)確定了TFIID分子的五個不同結(jié)構(gòu)。

“它們跨越了整個結(jié)合序列:在與DNA結(jié)合之前，最初與啟動子結(jié)合，然后在它再次確認(rèn)這是正確的位置和最終狀態(tài)之后，再結(jié)合，”諾加利斯博士說。她和她的同事繼續(xù)推進(jìn)cryo-EM的極限，希望在其他轉(zhuǎn)錄蛋白落在TFIID上完成轉(zhuǎn)錄過程后，確定其三維結(jié)構(gòu)。