Science：突破性技术揭示蛋白结构

　　

生物通报道：科学家们首次通过一种超强X射线激光，揭示了一种蛋白前所未有的原子结构，从而证明了一种突破性蛋白结晶技术的可行性。不过相关结构生物学家也表示，要说这种x射线无电子激光器（x-ray free-electron lasers，XFELs，生物通译) 自此就能取代了传统的以X射线源作为同步加速器，已获得了数以万计蛋白质结构的方法，还为时尚早。

蛋白结构分析突破性技术

目前来说对于蛋白结构的测定，主要的技术方法包括X光衍射法、核磁共振谱法，以及传统的单颗粒电镜重构，其中存在两个方面的主要问题：第一个是获得合适大小的蛋白晶体，其次是利用不会降解蛋白的方法进行照射。

今年年初，美国科学家制造出了世界上波长最短、单色纯度的第一束原子X射线激光，他们通过强大的X射线激光，从位于密封舱中的氖原子内层中敲除电子。当其他电子再回落填补那些位置时，大约有1/50的原子通过发出一束X射线回应。这些X射线接着又激发临近的氖原子，随之产生了更多的X射线，如此的多米诺效应将原始X射线激光放大了2亿倍。

这种强大的X射线激光能用于多个方面，此番德国的科学家们就将其用在了蛋白结晶技术上——他们利用XFELs确定了一种关键酶的结构，这种酶对于单细胞寄生虫布氏锥虫（Trypanosoma brucei）存活至关重要，而后者正是非洲昏睡病的罪魁祸首。

半胱氨酸组织蛋白酶结构解析

非洲昏睡病每年要夺取三万人的生命，这种疾病流行于中部非洲。14世纪，马里国王Mari Jata就染上了这种疾病，昏睡大约2年后死亡，这是较早的昏睡病例。几个世纪后，西方殖民者把贸易拓展到西部非洲时，发现了这种怪病。目前还没有能治愈严重的昏睡病病例的药物，亟待科学家们的进一步探索。

之前的研究已经揭示了这种称为半胱氨酸组织蛋白酶（cysteine protease cathepsin，生物通译）的结构特征，而最新这项研究则发现了这种酶的“前体”的形式：其活性区域覆盖着一种称为前肽（propeptide）的的分子安全帽，十分有趣。研究人员认为这将有助于科学家们找到与这种前肽结构相似的分子，结合到酶上，杀死寄生虫。

研究人员指出，这种结构被确定的方式与其结果同样重要。

首先为了能获得这种酶的结晶结构，生物学家在细胞内过度表达了半胱氨酸组织蛋白酶，这些酶能形成几微米长，不到一微米宽的细长结晶结构。由于这种结晶体积太小，用环形粒子加速器产生的相对弱的X射线束无法进行研究，因此这一研究组采用了世界上首个XFEL，解析这一蛋白结构，获得了这一蛋白前所未有的清晰结构。

同时这项研究也指出了XFEL的另外一个优点——能在同步加速器上研究的最小结晶结构，会受到X射线的破坏，即使是在数据积累的时候。研究人员认为利用XFEL能收集到无损数据。（生物通：张迪）

原文摘要：

Natively Inhibited Trypanosoma brucei Cathepsin B Structure Determined by Using an X-ray Laser

The Trypanosoma brucei cysteine protease cathepsin B (TbCatB), which is involved in host protein degradation, is a promising target to develop new treatments against sleeping sickness, a fatal disease caused by this protozoan parasite. The structure of the mature, active form of TbCatB has so far not provided sufficient information for the design of a safe and specific drug against T. brucei. By combining two recent innovations, in vivo crystallization and serial femtosecond crystallography, we obtain the room-temperature 2.1 Å resolution structure of the fully glycosylated precursor complex of TbCatB. The structure reveals the mechanism of native TbCatB inhibition and demonstrates that new biomolecular information can be obtained by the “diffraction before destruction” approach of x-ray free-electron lasers from hundreds of thousands of individual microcrystals.