新的“分子翻转书”让研究人员对核糖体运动有了最好的了解

HHMI的Janelia研究校区的一组研究人员使用了一种名为高分辨率模板匹配（HRTM）的新技术，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。

　　

我们中的大多数人都玩过翻页书，用拇指快速翻动一系列图片，创造出一种运动的错觉。

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高分辨率分子图片拼凑在一起，研究人员可以创建一个分子翻转书来观察它们的运动——这是理解细胞功能的关键部分。

多年来，越来越多的书页被填满了不同的分子，但仍有许多页缺失，提供了分子如何在细胞内运动的不完整视图。

现在，在HHMI的Janelia研究校园开发的一项新技术使科学家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这种被称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。

核糖体的构象状态发生变化，表现出不同的、精心安排的姿势，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——这个过程被称为延伸。

利用HRTM，研究人员能够检测覆盖整个延伸周期的41种不同构象状态的核糖体。通过将这些序列组合到一个翻页书中，研究人员创造了一个3D电影，使他们能够看到核糖体在延伸过程中的移动，揭示了前所未有的运动，为延伸如何发生提供了线索。

“我们所看到的是核糖体及其结合伙伴在接近原子细节的运动，”Janelia高级小组组长Jennifer lippincottot - schwartz说，她是Janelia 4D细胞生理学研究领域的负责人，也是这项新研究的高级作者。

获得全貌

HRTM于2017年由Janelia研究科学家Peter Rickgauer，前Janelia高级研究员Winfried Denk和前Janelia小组组长，现任HHMI调查员Nikolaus Grigorieff开发。

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，研究人员必须将许多图像平均起来，这些图像可能会错过更快、更罕见的构象。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。

“你无法得到一个完整的画面。”

与其他方法一样，HRTM利用完整冷冻细胞的电子显微镜图像。但是，HRTM不是试图捕捉这些细胞内分子的3D图像，而是在细胞不同区域的2D图像中检测分子特征。

为了在每张图像中找到感兴趣的分子，研究人员根据已知的分子3D结构信息，创建了他们正在寻找的模拟目标。然后他们用电脑在二维图像中搜索这些目标，在任何位置或任何方向。

当找到匹配时，记录结构及其位置和方向。然后研究人员开始将这些匹配拼凑在一起。在新的研究中，这些匹配被用来构建不同结构的核糖体。最终，研究人员将这些图像结合在一起，创造了一个无缝的3D电影，展示了核糖体在延伸周期中通过所有不同构象的移动。

延长周期的翻页电影允许研究人员跟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的弹簧样转变，这是以前在细胞中未见过的，可以揭示延伸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，这项新研究还提供了首次使用HRTM检测细胞内分子运动的测试。该技术可用于跟踪其他类型的分子运动，并研究相互作用，如细胞环境中药物靶标的结合。

“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。”