生物谷7月份結構生物學研究進展一覽

2017年7月28日/生物谷BIOON/---本期為大家帶來的是結構生物學領域本月的最新研究進展，希望讀者朋友們能夠喜歡。

CRISPR/Cas系統是目前發現存在於大多數細菌與所有的古菌中的一種免疫系統，被用來識別和摧毀抗噬菌體和其他病原體入侵的防禦系統。在CRISPR/Cas系統中，CRISPR是規律間隔性成簇短迴文重複序列（clustered regularly interspaced short palindromic repeats）的簡稱，涉及細菌基因組中的獨特DNA區域，也是儲存病毒DNA片段從而允許細胞能夠識別任何試圖再次感染它的病毒的地方，CRISPR經轉錄產生的RNA序列（被稱作crRNA）識別入侵性病毒的遺傳物質。Cas是CRISPR相關蛋白（CRISPR-associated proteins, Cas）的簡稱，Cas蛋白像一把分子剪刀那樣切割細菌基因組上的靶DNA。

目前已在細菌中發現三類CRISPR/Cas系統，I型和III型系統需要眾多蛋白的參與。II型系統就簡單得多了，一個Cas9核酸酶利用嚮導RNA（gRNA）就可以完成識別和切割靶雙鏈DNA，因此II型系統也被稱作CRISPR/Cas9系統。 自從2012年以來，CRISPR-Cas9基因編輯技術便已引發基因工程變革。CRISPR/Cas9被《科學》雜誌列為2013年年度十大科技進展之一，受到人們的高度重視。但是CRISPR-Cas9系統也有它的不足之處，即脫靶效應。

2016年6月，布羅德研究所成員Feng Zhang和他的同事們首次描述了一種靶向RNA的CRISPR相關酶（之前被稱作C2c2，如今被稱作Cas13a），而且能夠經編程后切割細菌細胞中的特定RNA序列（Science, doi:10.1126/science.aaf5573）。不同於靶向DNA的CRISPR相關酶（如Cas9和Cpf1），Cas13a能夠在切割它的靶RNA之後保持活性，而且可能表現出不加區別的切割活性，而且在一種被稱作"附帶切割（collateral cleavage）"的過程 當中，繼續切割其他的非靶RNA。

作為一種VI-A型CRISPR-Cas系統的一種RN引導的RNA核酸酶，Cas13a降解crRNA靶向的入侵性RNA，在RNA技術中具有廣泛的潛在應用。

如今，在一項新的研究中，為了理解Cas13a如何被激活和切割靶RNA，中科院生物物理所科學院核酸生物學重點實驗室創新課題組組長王艷麗（Yanli Wang）課題組和中科院生物物理所生物大分子國家重點實驗室創新課 題組組長章新政（Xinzheng Zhang）課題組解析出來自口腔纖毛菌（Leptotrichia buccalis）的Cas13a（以下稱LbuCas13a）結合到crRNA和它的靶RNA上時的晶體結構，以及LbuCas13a-crRNA複合物的冷凍電鏡結構。他們證實 crRNA-靶RNA雙鏈結合到LbuCas13a中的核酸酶葉（nuclease lobe, NUC）的一種帶正電荷的中心通道內，而且一旦結合靶RNA，LbuCas13a和crRNA經歷顯著的構象變化。這種crRNA-靶RNA雙鏈形成促進LbuCas13a的HEPN1結 構域移向HEPN2結構域，從而激活LbuCas13a的HEPN催化位點，隨後LbuCas13a就以一種非特異性的方式切割單鏈靶RNA和其他的RNA。

這些發現揭示出VI型CRISPR-Cas系統的Cas13a抵抗RNA噬菌體的作用機制，這就為將它作為一種RNA操縱工具加以應用鋪平道路，如將它的RNA切割和附帶切割活性用於基礎研究、診斷和治療。

在2016年9月發表在Nature期刊上的一篇論文中，美國加州大學伯克利分校的Jennifer Doudna、Alexandra East-Seletsky和他們的同事們利用Cas13a的這種附帶切割活性檢測RNA（Nature, doi:10.1038/nature19802）。不過，這種方法需要存在幾百萬個RNA分子，因而缺乏很多研究和臨床應用所需的靈敏度。

2017年4月，布羅德研究所Feng Zhang和他的同事們首次利用Cas13a的這種附帶切割活性切割RNA報告分子產生的熒光信號檢測樣品中的任何一種RNA分子的存在（Science, 13 Apr 2017, doi:10.1126/science.aam9321）。 這些研究都表明VI型CRISPR-Cas系統具有廣泛的應用潛力，有朝一日可能被用來應對病毒性和細菌性流行病爆發、監控抗生素耐藥性和檢測癌症。

在一項新的研究中，來自美國哥倫比亞大學的研究人員首次捕獲到AMPA亞型谷氨酸受體（AMPA-subtype glutamate receptor, 以下簡稱AMPA受體）在發揮作用時的三維結構圖。這種調節著大腦中的大多數電信號的受體參與幾種重要的大腦活動，包括記憶和學習。相關研究結果於2017年7月24日在線發表在Nature期刊上，論文標題為"Channel opening and gating mechanism in AMPA-subtype glutamate receptors"。

論文通信作者、哥倫比亞大學生物化學與分子生物物理學副教授Alexander Sobolevsky博士說，"根據我們的新發現，我們如今能夠首次可視化觀察神經遞質谷氨酸如何打開谷氨酸受體離子通道。這是一種直接影響著學習和記憶的基本過程，而且從上世紀九十年代以來，發現它的結構決定因子（structural determinant）一直是分子神經科學的主要目標。"

大腦中的大多數信號轉導是由谷氨酸觸發的。谷氨酸是一種激活神經元表面上的被稱作谷氨酸受體的蛋白的神經遞質。谷氨酸受體是許多高級認知功能（包括學習和記憶）的基礎。作為一種穀氨酸受體，AMPA受體非常快速地（不到一毫秒的時間）打開和關閉，從而參與大腦中的快速過程，比如有機體對它的周圍環境快速地感知和作出反應。

在此之前，Sobolevsky實驗室已解析出AMPA受體獨自時以及與調節突觸連接的速度和強度的其他蛋白結合在一起時的結構。在當前的這項研究中，這些研究人員捕捉到AMPA受體在發揮作用時（即谷氨酸激活這種受體，鑒於該受體本身就是一種離子通道，這種激活允許離子流過它的通道，從而啟動大腦中的信號轉導）的結構圖。這首次為受體如何介導大腦功能提供深刻的見解。

為了將AMPA受體在活性狀態下凍存，這些研究人員將它與蛋白stargazin（一種促進這種離子通道打開的調節蛋白）融合在一起。他們捕捉到的這些結構圖表明當谷氨酸等信號分子存在時，AMPA受體的入口像相機的光圈那樣打開，從而露出它的孔。為了引導離子通過，這種受體拓寬它的通道直徑，而且一種特殊的通道孔襯邊（pore lining）將這些離子領進細胞。

論文第一作者、哥倫比亞大學醫學中心博士生Edward C. Twomey說，"這些新的基礎發現為我們理解谷氨酸（我們的大腦中的主要神經遞質）神經傳遞產生影響。理解這些過程將影響未來對神經退行性疾病中的谷氨酸受體信號的研究和藥物設計。"

為了研究AMPA受體，Sobolevksy團隊採用了冷凍電子顯微技術，該技術先捕獲一個分子的一系列二維圖片，然後將它們組合成三維結構圖。這種技術是由論文共同作者、哥倫比亞大學醫學中心生物化學與分子生物物理學教授、生物科學教授Joachim Frank博士開創的。

谷氨酸受體上或它們介導的過程中的缺陷與阿爾茨海默病、帕金森病、亨廷頓氏舞蹈病、多發性硬化症和青光眼等神經退行性疾病；焦慮、抑鬱、精神分裂症和藥物濫用疾病等精神疾病以及大腦創傷和中風等急性疾病相關聯。一種活性的AMPA受體的新結構以及對這種激活機制的理解為開發治療與谷氨酸受體功能障礙相關的神經疾病的藥物構建一種穩固的平台。

在一項新的研究中，來自美國哈佛醫學院和瑞典烏普薩拉大學的研究人員利用數學方法證實核糖體在結構上的精確優化儘可能快地產生更多的核糖體，以便促進細胞高效地生長和分裂。核糖體是細胞的蛋白製造工廠。相關研究結果於2017年7月19日在線發表在Nature期刊上，論文標題為"Ribosomes are optimized for autocatalytic production"。

這項研究的理論預測準確地反映了觀察到的核糖體大尺寸特徵（large-scale feature），並且為一種出色的分子機器進化提供新的視角。

論文通信作者、哈佛醫學院系統生物學教授Johan Paulsson說，"核糖體是所有生命中最為重要的分子複合體之一，而且幾十年來，它已在不同的學科中得到研究。我們吃驚地觀察到我們似乎能夠解釋它的更加細緻的細節，但是核糖體具有的這些奇特的特徵經常未被解釋，或者即便能夠解釋，但也是以一種令人不滿意的方式。"

細胞中的很多結構（如細胞壁、溶酶體、核糖體、線粒體等）是由蛋白組成的和由蛋白製造出來的。這些蛋白是由核糖體製造出的。

儘管科學家們已在原子解析度上揭示出核糖體如何將遺傳物質轉化為蛋白，以及核糖體需要在準確性、速度和控制上加以精確調整，但是並不清楚的是，它的幾種大尺寸特徵具有哪些優勢。

依賴於有機體類型，核糖體由非常多數量的不同結構蛋白（55～80種）和兩到三個RNA鏈組成。這些結構蛋白不僅比期待中的更多，而且它們通常較短，具有統一的長度。這些RNA在大小上差異極大，占核糖體總質量的高達70%。

Paulsson說，"若不理解核糖體總體特徵為何存在，這有點像是觀察森林和理解葉綠體和光合作用如何工作，卻不能夠解釋為何存在樹而不存在草。"

因此，Paulsson和他的合作們Shlomi Reuveni（哈佛醫學院的一名博士后胡研究員）、烏普薩拉大學的M?ns Ehrenberg決定以一種不同的角度研究核糖體。

當一個細胞在發生分裂時，它必須具有兩套完整的核糖體來製造子細胞需要的所有蛋白。因此，核糖體能夠製造自我的速度就嚴格限制了細胞分裂如何快速地發生。Paulsson和他的同事們構建出理論上的數學模型來解釋如果速度是促進核糖體進化的主要選擇性壓力，那麼它的特徵看起來應當像什麼。

Paulsson團隊計算出在很多核糖體中，分配製造一個新的核糖體的任務能夠將製造速度增加30%，這是因為一旦被製造出來，每個新的核糖體協助製造更多的核糖體，從而加快這種過程。

對需要快速分裂的細胞（如細菌）而言，這代表著一種巨大的優勢。然而，根據這些數學模型，這種蛋白製造過程需要時間來啟動，而且這種間接成本限制了組成核糖體的蛋白數量。

Paulsson團隊構建出的數學模型預測，為了保持最大的自我製造效率，一個核糖體應當由40～80個蛋白組成。每個這樣的蛋白應當比細胞蛋白平均小3倍，而且它們應當在大小上都是相類似的。

結果證實Paulsson團隊的理論雖然是完全不依賴於實驗室開發出來的，但是準確地反映了觀察到的核糖體的蛋白組成。

Paulsson和他的同事們也研究了核糖體RNA（rRNA），rRNA作為核糖體的一種結構組分發揮作用，執行著核糖體將氨基酸連接在一起形成蛋白的酶活性。

他們的分析表明核糖體由更多的RNA組成，它就能夠被更快地製造出來。這是因為相比於製造蛋白，細胞能夠更快地製造rRNA。因此，儘管RNA酶被認為不如蛋白酶那麼高效，但是核糖體有大量的壓力來儘可能多地使用RNA以便使得能夠讓製造更多核糖體的速度最大化。

Paulsson說，"在核糖體能夠僥倖使用RNA的任何地方，就應當使用，這是因為自我製造速度實際上能夠增加2～3倍。即便就酶功能而言，RNA不如蛋白，但是如果細胞試圖儘可能快地產生核糖體，使用RNA仍然有巨大的優勢。"

根據Paulsson團隊的說法，預計這種觀察結果主要適用於能夠自我製造的核糖體。細胞中的很多其他結構並不自我製造，而且能夠為了使用蛋白（而不是RNA）提供的穩定性和效率犧牲製造速度。

歸納在一起，Paulsson團隊的理論準確地預測核糖體的大尺度特徵。它解釋了為何生長最為快速的有機體（如細菌）具有最短的核糖體蛋白和最高數量的rRNA。相反的是，作為真核細胞的能量工廠，線粒體一度被認為是進入一種永久性共生狀態的細菌。線粒體有它們自己的不會自我製造的核糖體。相比細胞中的核糖體，線粒體中的核糖體因缺乏這種壓力，確實由更大的蛋白和更少的RNA組成。

CRISPR/Cas系統是在很多細菌中發現的一種免疫系統。在細菌中，這種系統依賴Cas1-Cas2整合酶捕獲和整合短的外源DNA片段到它們的基因組中的CRISPR位點上，從而能夠抵抗相同病毒的再次入侵。

在一項新的研究中，來自美國加州大學伯克利分校的研究人員發現Cas1-Cas2如何找出它們將病毒DNA片段插入到細菌基因組中的這個位點，這樣Cas1-Cas2隨後就能夠識別這種病毒DNA片段和發起攻擊。相關研究結果於2017年7月20日在線發表在Science期刊上，論文標題為"Structures of the CRISPR genome integration complex"。

Cas1-Cas2依賴於CRISPR序列的獨特靈活性來識別它為病毒DNA片段應當被插入的位點，從而確保對之前的病毒感染的"記憶"正確地被儲存起來。

在這項研究中，論文通信作者Jennifer Doudna和她的研究團隊利用電子顯微技術和X射線晶體分析技術捕獲到Cas1-Cas2將病毒DNA片段插入到細菌基因組的CRISPR區域中時的結構圖。

這些結構圖揭示出第三種蛋白IHF（在Cas1-Cas2整合酶中，Cas1是第一種蛋白，Cas2是第二種蛋白）結合到這個插入位點的附近，讓靶DNA彎曲成一種U形結構，從而允許Cas1-Cas2同時結合到靶DNA的兩個末端上。論文第一作者Addison Wright（研究所）、Jun-Jie Liu（博士后研究員）與論文共同作者Gavin Knott、Kevin Doxzen和Eva Nogales一起發現這種反應要求靶DNA彎曲和部分解鏈，而且這種情形僅在適當的靶DNA上發生。

在CRISPR/Cas系統中，CRISPR是規律間隔性成簇短迴文重複序列（clustered regularly interspaced short palindromic repeats）的簡稱，涉及細菌基因組中的獨特DNA區域，也是儲存病毒DNA片段從而允許細胞能夠識別任何試圖再次感染它的病毒的地方。Cas是CRISPR相關蛋白（CRISPR-associated proteins, Cas）的簡稱，Cas蛋白像一把分子剪刀那樣切割細菌基因組上的靶DNA。這些短迴文重複序列發揮著識別信號的作用，引導Cas1-Cas2添加新的病毒DNA片段，從而讓這些病毒DNA片段在這些"短迴文重複序列"中間隔排列。

Wright 說，Cas1-Cas2對這些短迴文重複序列的特異性識別使得病毒DNA片段的整合僅局限在這種CRISPR陣列上，從而允許它對病毒產生免疫力，並且避免將病毒DNA片段插入到錯誤的位點而產生潛在的致命影響。

儘管很多DNA結合蛋白直接"讀取"它們的識別序列上的核苷酸，但是Cas1-Cas2通過更加間接的方式識別這些短迴文重複序列：它們的形狀和靈活性。除了編碼蛋白之外，一段DNA的核苷酸序列也確定著它的物理性質：一些序列起著柔性鉸鏈的作用，而其他的序列形成剛性的桿狀結構。這些短迴文重複序列的核苷酸序列允許它們僅以正確的方式彎曲，從而允許Cas1-Cas2根據形狀識別它們的靶標。

美國哈佛大學George Church實驗室之前開展的一項研究已證實Cas1-Cas2的信息儲存能力能夠被改用為記錄一部視頻的幀而不是病毒序列，而且也可能被用來記錄其他類型的信息（Nature, doi: doi:10.1038/nature23017，詳情參見新聞報道：重磅！利用CRISPR-Cas系統將數字視頻存儲到一群細菌的基因組中http://news.bioon.com/article/6706607.html）。

發現Cas1-Cas2如何識別它們的靶標為修飾這些蛋白打開大門。通過調整這些蛋白，科學家們可能能夠將它們重定向到CRISPR短迴文重複序列之外的序列上，從而將它們的應用到擴展到沒有CRISPR位點的有機體中。

就感覺而言，沒有什麼比我們的觸覺那樣直接而又具體。因此，可能令人吃驚的是，在分子水平上，我們的觸覺仍然在很大程度上是未知的。

我們的每種感覺依賴於將光線、聲音和移動等信號轉化為傳送到大腦中的電脈衝的"受體"分子。科學家們對眼睛中的受體如何將光線轉化為視力獲得相當完整的認識，而且他們已繪製出鼻子和口腔中很多將化學信號轉化為嗅覺和味覺的蛋白的結構圖。

但是仍然神秘的是"機械敏感性受體（mechanoreceptors）"。這些機械敏感性受體感知細胞的移動從而產生我們的觸覺和聽覺，甚至獲知我們的身體所在的位置和血流在靜脈中的流動。

如今，在一項新的研究中，來自美國加州大學舊金山分校的研究人員非常詳細地繪製一種被稱作NOMPC的蛋白複合體的結構。NOMPC在果蠅、魚和青蛙等動物中作為機械敏感性受體發揮作用。這種結構揭示出這種蛋白複合體依賴於四個微小的被稱作錨蛋白重複序列區（ankyrin repeat domain）的分子彈簧（molecular spring）將它拴在細胞骨架上，並且對這種細胞骨架的移動作出反應。細胞骨架是允許細胞保持它的形狀的結構纖維網路。相關研究結果發表在2017年7月6日的Nature期刊上，論文標題為"Electron cryo-microscopy structure of the mechanotransduction channel NOMPC"。

儘管NOMPC並沒有在人類等哺乳動物中發現到，但是這種新的結構讓科學家們更好地理解可能允許我們自己的感覺細胞感知觸覺的微妙機制。

特別地，負責感知人聽覺的離子通道通過察覺空氣中的細微振動發揮作用，迄今為止一直未能開展詳細研究。正如一些科學家們猜測的那樣，如果一種結合到細胞膜上的受體負責感知我們的聽覺，那麼它很可能像NOMPC那樣發揮作用。

能夠詳細地繪製出NOMPC的結構，這要得益於一種被稱作單顆粒冷凍電鏡技術（Single-particle cryo-electron microscopy）的技術近期取得的技術突破。加州大學舊金山分校生物化學與生物物理學教授David Agard博士和Yifan Cheng博士在顯著改進這種技術的解析度和它對位於細胞膜中的NOMPC等蛋白進行成像的能力上作出重大貢獻。

利用這種技術，這些研究人員揭示出NOMPC受體是位於細胞膜中的4個相同的蛋白成束組成的，每個蛋白具有一個伸入到細胞中的分子彈簧。

加州大學舊金山分校生理學教授YuhNung Jan博士實驗室長期以來就對NOMPC受體的功能感興趣。Jan實驗室之前的實驗結果已表明這種受體並不對細胞膜的獨自移動作出反應，但會對細胞骨架中發生較大的移動作出反應，從而導致NOMPC打開，在細胞膜中形成一個孔。帶電粒子快速地穿過這個孔進入細胞中，從而產生電脈衝，將觸覺信號傳遞到神經系統。

之前繪製的觸覺受體在細胞膜中自由地浮動，僅當細胞表面上的特定區域改變形狀時才作出反應。但是這些新的結構數據展示了NOMPC的分子彈簧如何可能將它栓到細胞骨架上，從而潛在地能夠讓這種受體感知細胞形狀在遠處發生的變化。

Jan實驗室博士后研究員Peng Jin博士說，"這是首個進行過如此詳細建模的結合到細胞膜上的受體。我們吃驚地觀察到自然構建出它自己的微小的分子彈簧將這種受體栓到細胞骨架上。"

在全世界，人免疫缺陷病毒（HV）當前感染著大約3700萬人。HIV具有一種關鍵的被稱作包膜蛋白（Env）三聚體的蛋白複合物。開發一種能夠阻斷而不僅是控制HIV感染的疫苗在很大程度上受到Env的複雜結構的阻礙。

在一項新的研究中，來自美國斯克里普斯研究所（TSRI）、沙克生物研究所和康奈爾大學威爾醫學院的研究人員首次解析出Env蛋白複合物的原子水平的特寫結構圖。這種結構圖揭示出Env三聚體的不同部分之間發生的複雜構象變化。這些構象變化僅在這種病毒在正常情形下與一個免疫細胞的質膜融合之前發生。這些發現可能為設計HIV疫苗提供潛在的新靶標。相關研究於2017年7月12日在線發表在Nature期刊上，論文標題為"Open and closed structures reveal allostery and pliability in the HIV-1 envelope spike"。

論文通信作者、TSRI副教授Andrew Ward說，"人們可能將這視為之前已知的HIV融合前狀態和融合后狀態之間的'缺失的一環'。"

這種結構圖也讓科學家們迄今為止最為清晰地觀察到Env的可塑性，這種可塑性在附著到人細胞表面上之前持續地在不同的構象之間進行轉換。

論文共同第一作者、TSRI高級研究員Gabriel Ozorowski說，"幾項其他的研究已發現Env三聚體發生構象變化的證據。在這裡，我們能夠捕獲到Env的兩種不同構象狀態的高解析度結構圖。"

Ward說，"通過理解這種融合中間狀態的分子細節，我們能夠推斷這種三聚體如何在不同狀態之間轉換，並且設計阻斷這些轉換的突變或分子。"

HIV的Env蛋白複合物由三個相同的蘑菇形狀的結構組成，每個結構含有一個莖狀的亞基（gp41）和一個被稱作gp120的帽狀區域。這些結構彼此之間僅是鬆散地連接在一起，從而能夠讓這種三聚體改變形狀，並且使得它很難研究，也很難利用藥物靶向它。此外，這種三聚體也頻繁地讓它的最外面的"可變環（variable loop）"區域發生突變從而躲避免疫攻擊，而且它的表面被複雜的糖分子（被稱作聚糖）包被著，從而掩蓋住潛在的藥物結合位點。

但是通過捕捉到Env在一種讓這種三聚體表面上之前未知的區域暴露出來的構象下的結構圖，這種結構給藥物開發者展現出了有趣的新前景。

Ward說，"如果我們能夠利用小分子靶向這種結構中新發現的口袋，那麼就有潛力製造出新的融合抑製劑藥物。"

這些研究人員解析出的Env結構圖實際上是將利用冷凍電鏡（Cryo-EM）拍攝的幾千張圖片進行數字化拼湊在一起形成的複合圖象。

若要HIV感染髮生，Env首先必須結合T細胞外表面上的兩個蛋白：先是結合被稱作CD4的膜受體，隨後結合一個被稱作CXCR4或CCR5的輔助受體。在這項新的研究中，這些研究人員構建出一種蛋白，該蛋白包括一種結合到CD4和17b上的修飾性Env（經過基因改造提高其穩定性）。作為一種人抗體，17b類似於CXCR4/CCR5，被用作這些輔助受體的替代物。這種三聚體複合物隨後被嵌入到薄薄的一層冰中，並且被放置在冷凍電鏡中進行成像。

論文共同第一作者、TSRI高級研究員Jesper Pallesen說，"電子束被這些蛋白原子散射，從而獲得詳細的二維圖片。我們拍攝了大約2000張圖片，每張圖片含有上千個在隨機定向下凍存的Env複合物。我們通過計算讓它們對齊，從而構建出高解析度的三維結構圖。"

Env的這種新的處於它的"融合中間"狀態的結構圖揭示出一旦結合CD4，gp120的V1和V2可變環翻轉遠離這種三聚體的中心，從而暴露出這種輔助受體結合位點。CD4結合也觸發gp41莖狀結構的一部分自我重排而在這種三聚體的內部產生一種小的口袋空間。當為了準備膜融合，這種口袋從這種三聚體的底部移向內部時，它起著穩定gp41中的融合肽（即一種讓自我附著到宿主細胞上的氨基酸序列）的作用。

由於HIV的這種融合肽在感染中發揮著至關重要的作用，它特別抵抗突變，因而是一種廣受歡迎的藥物靶標。Pallesen說，"如果能夠靶向這段特定的氨基酸序列，那麼這種病毒就會無處可逃。"

然而，經證實攻擊這個靶標實際上是較困難的，這是因為這種融合肽很少保持靜止不動。Ozorowski說，"在CD4結合之前，這種融合肽在這種三聚體的外面漂浮和搖蕩。我們首次在我們的結構中觀察到當Env結合CD4時，為準備結合到宿主細胞膜上，這種融合肽向這種三聚體的內部更近地移動，並且獲得一種更加穩定的狀態。"

構象變化

這些研究人員也開展了第二個抗體替代物實驗，從而獲得迄今為止最為清晰的能夠改變形狀的Env的結構圖。Ward說，"鑒於Env是一種亞穩態的融合機器，人們長期以來就已了解到它必須是一種具有可塑性的結構。"

利用一種具有類似形狀的抗體b12替換CD4，這些研究人員能夠證實除了一種"封閉"狀態（CD4結合位點受到隱藏）和一種開放狀態（準備CD4結合）之外，Env也扭曲成一種部分開放的容納得下b12但容納不下CD4的構象。

Ozorowski說，"若要感染髮生，這種三聚體必須從一種封閉狀態轉換到一種開放狀態，從而使得這種融合肽接近於宿主細胞。對多種狀態進行取樣分析可能使得Env更容易在不同狀態之間進行切換。我們證實儘管存在這些不同的構象，每種構象仍然表現出一定程度的穩定性。"

這種穩定的亞狀態（meta-state）是藥物開發者能夠利用的另一種途徑。Pallesen說，"我們如今能夠探究這種新的構象來發現Env表面上的新的可利用藥物加以靶向的口袋。因此，它為抵抗HIV感染打開另一個武器庫。"

doi:10.1038/nature23002

在一項新的研究中，來自英國醫學研究委員會（MRC）分子生物學實驗室（LMB）和美國印第安納大學的研究人員首次揭示出導致阿爾茨海默病的兩種異常纖維之一的原子結構。理解這些纖維的結構將是開發阻止它們形成的藥物的關鍵。他們認為他們發現的這些纖維結構也可能提示著tau蛋白如何在其他的神經退行性疾病中形成不同的纖維。相關研究結果於2017年7月5日在線發表在Nature期刊上，論文標題為"Cryo-EM structures of tau filaments from Alzheimer's disease"。論文通信作者為LMB研究員Michel Goedert和Sjors H. W. Scheres。

作為最為常見的神經退行性疾病，阿爾茨海默病的特徵是存在兩種異常的在大腦中形成病灶的蛋白"澱粉樣"形式。tau蛋白在神經細胞內形成纖維，而β-澱粉樣蛋白在細胞外形成纖維。tau病灶似乎與這種疾病的患者的認知喪失存在更強的關聯性。

近三十年前，LMB科學家們已鑒定出tau蛋白是在阿爾茨海默病和多種其他的神經退行性疾病中發現的病灶的一個不可或缺的組分。但是，在此之前，人們一直不能夠鑒定出這些纖維的原子結構。

這些研究人員提取出一名伴有阿爾茨海默病而死的病人大腦中的tau纖維。他們利用冷凍電子顯微技術（cryo-EM）對這些纖維進行成像。Scheres和同事們開發新的軟體以便足夠詳細地計算出這些纖維的結構，並推導出位於它們內部的原子的排列。

Scheres說，"令人興奮的是，我們能夠利用這種新的技術可視化觀察來自患病大腦中的這些纖維，這是因為之前的研究依賴於在實驗室中組裝的人工樣品。澱粉樣蛋白結構能夠以很多不同的方式形成，因此並不清楚的是，這些實驗室結構如何密切地類似於在人疾病中產生的相應蛋白結構。"

"了解tau蛋白的哪些部分在纖維形成中發揮重要作用有助於開發藥物。比如，很多製藥公司當前正在測試中利用tau蛋白的不同部分測量不同藥物對纖維形成的影響；這種新的知識應當顯著地增加這些測試的準確性。"

Goedert說，"近三十年來，我們就已知道tau蛋白異常組裝而成的纖維是阿爾茨海默病的一種典型特徵。在1998年，已證實tau蛋白功能異常足以導致神經退化和痴呆症。在2009年，tau蛋白異常組裝的朊蛋白樣性質已被鑒定出。這些性質允許這種異常的tau蛋白形式將之前正常的形式轉化為這種異常形式。"

"在此之前，來自人大腦組織中的tau纖維或任何其他的致病性纖維的高解析度結構一直是未知的。這項新的研究將有助開發出更好的化合物來診斷和治療阿爾茨海默病和其他涉及缺陷性tau蛋白的疾病。"

MRC首席科學官Rob Buckle博士說，"這項突破性研究極大地促進我們對阿爾茨海默病的理解。近三十年來，LMB科學家們首次發現tau蛋白在這種疾病中發揮著關鍵作用。了解這些纖維在患病組織中的基礎結構對開發抵抗它們形成的藥物是至關重要的。"

在一項新的研究中，來自丹麥哥本哈根大學的研究人員發現了一種新的被稱作Cpf1的分子剪刀如何讓DNA解鏈，並對它進行切割。這個CRISPR-Cas家族成員表現出較高的準確性，能夠像全球定位系統（GPS）那樣發揮作用以便鑒定出基因組中的靶位點。Cpf1的高精準度將會改進這種技術在修復基因損傷、其他醫學應用和生物技術應用上的使用。

這些研究人員成功地可視化觀察和描述了Cpf1的工作方式。這種蛋白屬於Cas家族，能夠切割雙鏈DNA，因而允許啟動這種基因組修飾過程。相關研究結果發表在2017年6月22日的Nature期刊上，論文標題為"Structure of the Cpf1 endonuclease R-loop complex after target DNA cleavage"。論文通信作者為哥本哈根大學研究員Guillermo Montoya和Stefano Stella。

Montoya解釋道，這種新的分子剪刀"因極其精準地識別靶DNA序列，將能夠讓我們更加安全地修飾和編輯寫在基因組上的指令。"

切割和連接基因組序列的CRISPR-Cas9系統已正在被用來修飾動物和植物基因組。它也被用來治療人體中的癌症和視網膜疾病等疾病，而且它的應用在不斷增加。

X射線衍射晶體分析技術

全世界的科學家們正在努力優化這種基因組編輯技術以便讓它變得更加精準和更加高效。為了實現這一點，科學家們也關注特異性地切割DNA的其他蛋白，如Cpf1，對這些蛋白進行操縱能夠將它們引導到基因組中的特定位點上。Montoya團隊利用X射線衍射晶體分析技術成功地解析出控制這種過程的分子機制。

Montoya說，"我們利用X射線照射Cpf1蛋白晶體，能夠在原子解析度上觀察到它的結構，從而能夠讓我們觀察它的所有組分。X射線衍射是被用來解析生物分子結構的主要生物物理學技術之一。"

"Cpf1的主要優勢在於它的高度特異性和DNA切割方式，這是因為利用這種新的分子剪刀能夠產生交錯末端，而不是Cas9產生的平端斷裂。這些交錯末端有利於DNA序列插入。"

Montoya補充道，"Cpf1系統識別DNA序列的高精準度指導這種蛋白鑒定出它在基因組中的靶位點。與用於這種目的的其他蛋白相比，它也是多功能的，很容易重新編程。"

遺傳疾病和腫瘤

他說，這些性質使得這種系統"特別適合用於治療遺傳病和腫瘤。"

Montoya團隊之前與法國生物技術公司Celletics合作利用歸巢核酸內切酶（meganuclease）治療某些白血病。歸巢核酸內切酶能夠經過重新設計，切割基因組中的特定位點。

Montoya補充道，這種新技術"也能夠被用來修飾微生物，旨在合成產生藥物和生物燃料所需的代謝物"。

doi:10.1016/j.cell.2017.06.012

在一項新的研究中，來自美國哈佛醫學院和康奈爾大學的研究人員獲得來自嗜熱裂孢菌（Thermobifida fusca）的I型CRISPR複合體的近原子解析度的圖片，揭示出它的作用機制的關鍵步驟。這些發現提供改善CRISPR在生物醫學應用時的效率和準確性所需的結構數據。相關研究結果發表在2017年6月29日的Cell期刊上，論文標題為"Structure Basis for Directional R-loop Formation and Substrate Handover Mechanisms in Type I CRISPR-Cas System"。論文通信作者為哈佛醫學院細胞生物徐助理教授Maofu Liao和康奈爾大學研究員Ailong Ke。

這些研究人員利用冷凍電子顯微鏡技術首次描述出當這種CRISPR複合體裝載靶DNA並讓它做好被Cas3酶切割的準備時準確發生的一系列事件。他們說，這些結構揭示出一種存在多層錯誤檢測的過程，即存在阻止不想要的基因組損傷的分子冗餘（molecular redundancy）。

CRISPR-Cas系統是一種廣泛採用的用於生物醫學研究的精準基因編輯工具。CRISPR-Cas3是CRISPR-Cas系統的一種亞型。然而，它的作用機制，特別是它如何尋找它的DNA靶標是不清楚的，而且對不想要的脫靶效應的擔憂讓人們猜測將CRISPR-Cas用於治療人類疾病是否會存在安全性問題。

當利用這種CRISPR複合體進行基因編輯時，這些結構的高解析度細節闡明了確保精確切割和避免脫靶效應的方法。

Liao說，"為了解決特異性問題，我們需要理解CRISPR複合體形成的每個步驟。我們的研究如今展示了入侵DNA如何被CRISPR捕獲（從起初時的靶DNA識別到一種使得DNA發生構象變化而最終被Cas3切割的過程）的精確機制。"

CRISPR-Cas是一種被細菌用來抵抗病毒入侵的適應性防禦機制。這一過程涉及細菌獲得病毒DNA片段，並將這些片段整合到它的基因組中，並且產生短的被稱作crRNA（CRISPR RNA）的 RNA序列。這些crRNA片段被用來觀察"敵人"的存在。

為了更好地理解CRISPR-Cas如何發揮功能，Liao、Ke和他們的團隊著重關注細菌中最常見的CRISPR亞型：1型CRISPR，即利用一種被稱作CRISPR Cascade的核糖蛋白複合體（riboprotein complex）捕獲DNA，並且利用酶Cas3切割外源DNA。

通過聯合使用生化技術和冷凍電子顯微鏡技術，他們復原出在不同的功能狀態下的穩定的Cascade，並且進一步獲得Cascade在捕獲和加工DNA時解析度低至3.3埃（大約是一個碳原子直徑的3倍）的圖片。

在CRISPR-Cas3中，crRNA被裝載到CRISPR Cascade上，隨後尋找一段非常短的表明外源病毒DNA存在的DNA序列（被稱作PAM）。

Liao、Ke和他們的同事們發現當Cascade檢測PAM序列時，它讓DNA呈銳角彎曲，迫使一小段DNA解鏈。這允許crRNA的一個長11nt的片段結合到靶DNA鏈上，形成一種"種泡（seed bubble）"。

這種種泡發揮一種自動防故障裝置的作用，檢查靶DNA是否匹配crRNA。如果它們正確地匹配，那麼這種種泡就會擴大，crRNA的剩餘部分就與它對應的靶DNA結合，形成一種"R環（R-loop）"結構。

一旦這種R環完全形成，這種CRISPR Cascade複合體經歷一種構象變化，從而將靶DNA鎖定。它也讓DNA的第二條非靶標鏈產生一個凸起，這個凸起被移交到這種CRISPR Cascade複合體的一個不同位置上供Cas3酶切割。

僅當一種完整的R環形成時，Cas3酶才結合和切割在這條非靶標DNA鏈上產生的這個凸起上的DNA。

這些發現揭示出一種精心設計的分子冗餘確保精準切割和避免錯誤地切割細菌自己的DNA。

Ke說，"為了將CRISPR用於人類醫學中，我們必須確保CRISPR系統是準確的，它不會靶向錯誤的基因。我們的觀點是CRISPR-Cas3亞型已進化為一種精準的系統，有潛力成為一種更加精準的用於基因編輯的系統。即便存在錯誤靶向，我們也知道如何操縱這個系統，這是因為我們知道哪些步驟參與其中，以及我們可能在何處進行干預。" （生物谷 Bioon.com）