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比年来，单粒子低温电子显微镜（cryo-EM）和东说念主工智能驱动的结构量度时代的梗阻透澈编削了结构生物学限制。2018，AlphaFold横空出世，两年后发布的AlphaFold2更是玩忽到手量度 98.5% 的东说念主类卵白质结构，为结构生物学限制带来了进击变革。2024 年 10 月 9 日，瑞典皇家科学院文牍本年的诺贝尔化学奖一半授予好意思国科学家David Baker，以奖赏其在筹备卵白质遐想方面的孝敬；另一半则共同授予英国科学家Demis Hassabis 和 John M. Jumper，以奖赏其在卵白质结构量度方面的孝敬。
行为我国最卓绝的结构生物学家之一，深圳医学科学院首创院长、深圳湾现实室主任、清华大学讲席陶冶、北京生物结构前沿商议中心商议员，并荣获 2024 年天下卓绝女科学家奖项的颜宁陶冶，于结构生物学限制深耕多年，发现了多种介导离子和糖跨细胞膜运载的膜卵白原子结构，揭示了跨膜转运的道理，为人命科学限制带来了庞大的孝敬。
2024 年 10 月 9 日，颜宁团队在PNAS杂志发表了题为 CryoSeek: A strategy for bioentity discovery using cryoelectron microscopy 的商议文章1，该商议使用冷冻电镜发现了凯旋从自然环境或腹地资源均分离出来的绝对未知的生物实体，报说念了两个关连的原纤维的结构坚硬，称为 TLP-1a 和 TLP-1b，他们将这类商议新范式称为 CryoSeek，其赢得的高分歧率结构先于并教学先前未知物体的识别和功能表征。
图 1 关连商议（图源：[1]）
一、清华大学校园内荷塘水样的低温电镜成像
CryoSeek 的责任经由包括几个要领：1）从自然开始网罗样本；2）用过滤、浓缩等简便模范惩办样品；3a）实行模范冷冻样品制备和冷冻电镜数据集合或 3b）通过其他表率，如宏基因组测序和质谱分析来表征样品；4）低温电镜数据惩办；5）自动设立模子；6）说合要领 3b 的其他生物信息学分析效力，凭据其结构识别相应的生物实体。
为了阐述 CryoSeek 这一新范式的应用，商议东说念主员对从清华荷塘集合的水样进行了成像，之是以遴选这个地点是因为清华大学的荷塘因朱自清的《荷塘月色》而有名于世，因而商议团队将本项商议称为「荷糖月色」诡计2。为了保留任何潜在物体的自然结构，在制备冷冻样品之前，网罗的水经过简便的过滤和浓缩。随后，很多物资立即在显微相片中显显露来，最容易鉴识的是不同长度和厚度的原纤维，他们在该商议中报说念了两种关连原纤维的结构特征，被定名为 TLP-1a 和 TLP-1b，其 3D EM 重建在 3.2 Å 和 3.5 Å 分歧率下被笃定。由于两种原质物险些相通，他们遴选举座分歧率更高的 TLP-1a 进行结构分析，并使用 TLP-1 这个称号来形色这两种原纤维的共同特征。
图 2 基于 CryoSeek 战略发现自然生物实体（图源：[1]）
二、诳骗 CryoNet 自动构建结构
TLP-1 的结构特征是怎样的呢？在莫得任何先验序列信息的情况下，他们使用 CryoNet 自动构建 TLP-1 原聚物的原子模子。效力发现，自动构建的 TLP-1 模子与 EM 图像基本一致，独一很小的各异。
接下来，他们以 F. bacterium 的 A0A2M8AA21 结构坐标为参考，手工细化了 TLP-1a/b 的模子。他们发现，自然量度 N 端序列被 AF2 打乱，但在原纤维拼装的布景下，它酿成了一个蔓延的 β 链，而这条 β 链是团聚 TLP-1 原纤维的关键元素。进一步的商议还发现，TLP-1 原聚物通过供体-链交换（Donor-Strand Exchange，DSE）机制堆叠。
图 3 TLP-1 的结构坚硬（图源：[1]）
三、TLP-1a/b 为潜在未分类细菌菌毛
上述发现的 TLP-1a/b 到底属于什么生物类别呢？由于 TLP-1 原纤维是从环境中网罗的，量度结构与 TLP-1 同样的卵白在 UniProt 数据库中皆莫得特定的功能堤防。自然对现实结构莫得得到任何同样的折叠，但他们在检索到的很多周边序列中发现了一个道理道理的特征，即所有检索到的细菌发源的现实结构皆是通过 DSE 机制拼装的菌毛。
随后，他们进一步检索了菌毛代表性的冷冻电镜图谱和结构，包括大肠杆菌的 CS17 粘附菌毛、的 Tas 纤维和铜绿假单胞菌的 CupE 菌毛，这些结构有一个共同的特色，即顶部原聚体的 N 端 β1' 链插入到下方原聚体的大结构域中，以完成 Ig 样结构域。可是，不同菌毛的 Ig 样结构域的形貌和运动环的复杂进程不同，导致每个菌毛的抽象和拼装参数不同。
TLP-1 与其他三种原纤维的主要区别在于供体原卵白的相对定位，在 TLP-1 中，原聚体 n+4 提供 n 端 β1' 链以补充开动子 n 中的 β 片；相背，在包括 CS17 在内的所有其他原纤维中，原聚体 n+1 提供 β1' 链。这一效力标明 TLP-1 结构是一种往常未被表征的同源螺旋原纤维的拼装花式。
图 4 TLP-1 与其他通过 DSE 机制拼装的原纤维的比拟（图源：[1]）
该商议象征着结构生物学限制初度将冷冻电镜的应用膨胀到凯旋发现各式生物圈中的未知物体，他们翻新性地将该商议范式称为 CryoSeek，使结构生物学成为探索绝对未知物体的灵验器具。清华荷塘仅仅一个滥觞，将来CryoSeek 还可能有助于将结构生物学膨胀到结构 X 学，如结构病理学、结构生态学、结构考古学等。商议对象不错膨胀到泥土、河流、空气、雨雪、海洋，以致更为极点的环境，如深海、极地、火山，乃至外天际的生物实体。商议团队但愿通过基于冷冻电镜时代开启结构生物学商议全新范式，从而助力多学科的发展2。
参考尊府：（高下滑动查阅）
1 Wang T, et al. CryoSeek: A strategy for bioentity discovery using cryoelectron microscopy. Proc Natl Acad Sci U S A. 2024 Oct 15.
2 PNAS | 颜宁团队诳骗冷冻电镜时代探索结构生物学商议新范式，深圳医学科学院，2024.10.10
通信作家：
颜宁，陶冶、博士生导师，中国科学院院士、清华大学讲席陶冶、好意思国科学院外籍院士、好意思国艺术与科学院外籍院士、好意思国普林斯顿大学毕生讲席陶冶，深圳医学科学院院长、深圳湾现实室主任，荣获天下卓绝女科学家奖等荣誉。主要从事与疾病关连的进击膜转运卵白、电压门控离子通说念的结构与责任机理及膜卵白调控胆固醇代谢通路的分子机制方面的商议，自 2009 年以来，颜宁行为通信或者共同通信作家发表学术商论说文近 80 篇，其中 33 篇发表于 Cell、Nature、Science 等海外顶尖杂志。
李张强，2020 年于清华大学人命科学学院取得博士学位，清华大学水木学者、清华大学高精尖中心不凡学者，主要从事电压门控钠通说念与关连药物或毒素的结构生物学商议，以第一作家或共同第一作家在 Science、PNAS 发表多篇商论说文。
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