通过冷冻框架显微镜捕获的分子对DNA进行“锁定和装载”

加州大学伯克利分校已经突破了低温电子显微镜的极限。科学家们已经捕捉到了巨大分子形状变化的定格，这是人体的关键分子机器之一，因为它锁定了DNA，并加载了一个读取遗传密码的机器。

这种分子被称为转录因子IID，对基因转录成RNA至关重要，RNA将被用作制造蛋白质的蓝图。然而，由于其许多运动部件和大尺寸，TFIID的3D结构难以捕捉：运动部件变得模糊。

Cryo-EM是一种成像技术，其发现者获得了2017年诺贝尔化学奖，这是获得这种笨重软盘结构快照的唯一方法。高分辨率的结构信息对于理解TFIID如何翻译基因组中的操作指令以及它如何有时变得令人困惑至关重要。

一种新的更详细的分子运动部分快照可以帮助药物设计者创造出干扰分子结构变化的药物，以调整致病基因的表达。

“这些结构使你有可能合理地设计干扰正常功能的小分子，因为现在我们没有单一的结构，但我们有许多结构，这些结构更强大，因为我们现在可以看到它们用于我们的运动，”加州大学伯克利分校细胞生物学教授、劳伦斯伯克利国家实验室的教师科学家伊娃诺加莱斯说。

诺加莱斯和她的同事，加州大学伯克利分校最著名的研究生阿维纳什帕特尔和罗伯特洛希尔，在《科学》杂志出版前，于本周在网上发表了他们的研究成果。

加州大学伯克利分校的细胞学教授罗伯特蒂安(Robert Tjian)说，“你是否坚持使用这种药物，以及如何让它发挥作用，很大程度上取决于这些结构的短暂性，这是我们最近才意识到的。”生物学家发现了TFIID，并将其职业生涯的大部分时间用于研究这一分子，尽管他不是这篇新论文的合著者。“因为这些分子四处移动，它们的结构非常复杂，传统的药物发现永远无法揭示正在发生的事情。伊娃的结构将改变这一点。这可能会打开药物治疗对象的范围。”

冷冻分子

TFIID是十几种不同蛋白质的集合体。这些蛋白质位于启动子上，启动子是一个控制附近基因转录的DNA区域，序列被检测以确保它位于正确的位置。一旦得到确认，就会招募数十种其他蛋白质，然后沿着基因开始棘轮攻击，以DNA序列为模板，创建一个互补的RNA序列，称为信使RNA。然后，它从细胞核进入细胞，在那里被其他分子机器转化为蛋白质。

“TFIID可能是人们试图解决的最困难的结构，因为它非常大，非常灵活，”Tjian说。“你能看到这些非常灵活的结构的唯一方法是通过冷冻电镜。伊娃现在可以冻结所有这些不同的灵活状态，并描述运动。”

Cryo-EM涉及冷冻包含每个可以想象的方向上的数百万分子的液滴，并使用电子显微镜通过组合图像来确定结构，以定义3D形状。因为TFIID有很多活动的部分，因为它和DNA结合，准备转录基因，所以所有冻结的位置平均会产生模糊的图像。

诺加利斯对比了之前在TFIID成像方面的努力，包括她自己近20年的尝试，拍摄一个足球队的场地，平均拍摄所有球员的动作。结果是一个具有模糊头部和四肢的通用人体躯干。

成像足球场

现在，得益于Patel和Louder两年多的密集工作，它可以捕捉到更高分辨率的图像，类似于区分前锋的踢球和门将的手挡以及后卫的头球。

“想象一下，你在球场上有22名足球运动员的图像，你将他们组合成一个单元，你称之为‘通用足球运动员’，”她说。“它看起来像一张模糊的图片——你几乎看不出它是一个人形的形状，具有某种动作，但你不会意识到玩家之间存在差异。”

改进的图片是伯克利实验室的同事最初开发的更好的探测器的结果，计算机算法稳步改进，以分析探测器收集的大量数据。这有助于Nogales和他的团队定义TFIID分子的五种不同结构。

“它们跨越了整个结合序列：在与DNA结合之前与启动子的初始结合，然后在双重检查这是正确位置后的结合，以及最终状态，”Nogales说。

她和她的同事继续推动cryo-EM的极限，希望在其他转录蛋白落在其上完成转录过程后，确定TFIID的3D结构。

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