高端显微镜揭示了关键代谢酶的结构和功能

转自生物帮  2019-08-29 15:52:20

在每个细胞内，称为线粒体的动力室不断地分解来自食物的分子以产生能量以及产生作为细胞构建块的新分子。

平衡这两个相反的过程是通过称为质子转位转氢酶或NNT(烟酰胺核苷酸转氢酶)的酶实现的。NNT位于线粒体膜中，利用细胞呼吸产生的电化学质子梯度为线粒体提供恰当量的辅酶NADPH，这是一种重要的代谢前体。NNT的正常功能对包括人在内的所有动物的代谢调节至关重要。然而，由于缺乏对酶原子结构的了解，NNT如何通过膜完成质子的协调转移和NADPH合成的细节仍然模糊不清。IST奥地利博士生Domen Kampjut及其主管兼组长Leonid Sazanov教授现在首次将哺乳动物NNT分子可视化，使其能够识别酶通道门控的结构原理 - 从而更深入地了解其功能(和故障)。

IST奥地利的“决议革命”

只有利用低温电子显微镜(cryo-EM)中最先进的技术发展，即所谓的“分辨率革命”，才能对NNT酶进行原子分析。目前研究的部分数据是使用仅在2018年秋季在奥地利IST安装的新型低温电子显微镜生成的，并且是第一个使用Klosterneuburg的三台新机器之一“300 kV FEI Titan Krios”发布的。

NNT的低温EM分析 - 涉及大量耗费时间和精力的图像处理以及IST奥地利中央组织和完善的电子显微镜设备专家的支持 - 提供了近原子分辨率图像的分子在不同构象状态下的三个不同结构域。

打开质子门 - 以及新形式的医疗

通过这些图像，结构生物学家可以展示结合NADPH的结构域如何打开质子通道到线粒体膜的任一侧。第一作者Domen Kampjut：“NNT已经研究了几十年，但是经典的成像方法如X射线晶体学未能对其结构进行详细研究，因为它具有高度的动态性。此外，像NNT这样的膜蛋白特别具有挑战性研究它们是脆弱的，难以净化大量的结晶学所需要的。因此，只有使用cryo-EM才能最终清楚地看到质子转移是如何起作用的 - 并且在此过程中，找到一个缺失的谜题了解如果不起作用该怎么做。“

Leonid Sazanov教授补充说：“这些结构特别令人兴奋，因为转氢酶通过旋转整个相当大的NADPH结合区180度'或'向下'来表现出惊人的转变。据我们所知，这是在研究的酶机制中是独一无二的。然而，鉴于我们提出的机制，这种轮换现在完全有意义，它表明了大自然如何“创造性地”解决具有挑战性的任务。“

结果是朝着开发新疗法迈出的重要一步。例如，目前不可用的NNT抑制剂的开发在代谢功能障碍(包括代谢综合征)和一些癌症方面具有很大的治疗潜力。

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