新的“分子动画书”让研究人员对核糖体运动有了最好的了解

我们大多数人都曾玩过翻页书，用拇指快速翻转一系列图片，创造出运动的错觉

科学家们使用类似的技术来研究细胞内的超快分子过程。通过将不同时间点的分子高分辨率图片拼接在一起，研究人员可以制作一个分子翻页书来查看它们的运动——这是理解细胞功能的关键部分

多年来，这些翻页书中越来越多的页面被填充了不同的分子，但仍然有许多页面缺失，这为分子在细胞内的运动提供了不完整的视角

现在，HHMI Janelia研究园区开发的一项新技术使科学家们能够填补这些缺失的页面，并以前所未有的方式揭示细胞内分子的运动。由Janelia的Lippincott Schwartz实验室领导的一个团队使用了一种名为高分辨率模板匹配（HRTM）的技术，以前所未有的细节揭示了核糖体的运动——核糖体是细胞内合成蛋白质的分子结构

研究结果发表在《分子细胞》杂志上

核糖体的构象状态会发生变化，呈现出不同的、精心编排的姿势，允许RNA链通过结构的两个亚基，在那里RNA携带的指令被读取并翻译成蛋白质——这一过程称为延伸

使用HRTM，研究人员能够检测到覆盖整个伸长周期的41种不同构象状态的核糖体。通过将这些序列组合成一本动画书，研究人员制作了一部3D电影，让他们看到核糖体在伸长过程中的运动，揭示了前所未有的运动，为伸长是如何发生的提供了线索

“我们看到的是核糖体及其结合伴侣在接近原子细节的运动，”Janelia高级组长Jennifer Lippincott Schwartz说，她是Janelia 4D细胞生理学研究领域的负责人，也是这项新研究的资深作者

在核糖体的不同平面上，重建核糖体在伸长周期中运动的3D电影。来源：Rickgauer等人。全面了解HRTM是由Janelia研究科学家Peter Rickgauer-前Janelia高级研究员Winfried Denk和前Janelia小组组长兼现任HHMI研究员Nikolaus Grigorieff于2017年开发的

虽然目前的成像技术使研究人员能够获得分子的3D图像，但这些方法要么捕获细胞外的分子，要么无法检测到非常小的分子特征。为了重建核糖体的不同构象状态，研究人员不得不将许多图像平均在一起，这将错过更快、更罕见的构型。结果，这些方法使研究人员只能看到少数核糖体的构象状态，尽管他们知道还有更多

“你无法全面了解情况，”同样领导这项新研究的Rickgauer说。“这就像你有翻页书的每十页。”

像其他方法一样，HRTM利用完整冷冻细胞的电子显微镜图像。但是，HRTM并没有试图捕捉这些细胞内分子的3D图像，而是检测细胞不同区域的2D图像中的分子特征

为了在每张图像中找到感兴趣的分子，研究人员根据分子3D结构的已知信息创建了他们正在寻找的模拟目标。然后，他们使用计算机在任何位置或任何方向的2D图像中搜索这些目标

重建核糖体和瞬时结合伴侣在伸长周期中移动的3D电影。来源：Rickgauer等人

当找到匹配时，会记录结构及其位置和方向。然后，研究人员开始将这些匹配项拼凑在一起。在这项新的研究中，这些匹配被用来构建不同构型的核糖体。最终，研究人员将这些图像组合在一起，创建了核糖体在伸长周期中通过所有不同构象移动的无缝3D电影

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延长周期的动画电影使研究人员能够追踪核糖体及其结合配体的运动。他们能够观察到亚基间桥蛋白的平滑弯曲运动和核糖体结合位点之间tRNA的弹簧状转变，这在细胞中以前从未见过，可以揭示伸长背后的分子机制的线索

除了帮助研究人员更好地了解核糖体的功能外，这项新研究还首次测试了使用HRTM检测细胞内的分子运动。该技术可用于跟踪其他类型的分子运动，并研究细胞环境中药物靶标的结合等相互作用

Lippincott-Schwartz说：“我认为这真的很令人兴奋，因为它为研究细胞中各种分子复合物的结构动力学提供了路线图。” More information: J. Peter Rickgauer et al, Structural dynamics of human ribosomes in situ reconstructed by exhaustive high-resolution template matching, Molecular Cell (2024). DOI: 10.1016/j.molcel.2024.11.003

Journal information: Molecular Cell