生物大分子柔性組裝的冷凍電鏡重構新方法獲揭示

近日，南方科技大學生命科學學院副教授沈慶濤課題組針對生物大分子組裝柔性的難題，基于冷凍電鏡單顆粒技術，開發了直接賦值顆粒歐拉角的重構方法，解析了真核細胞中轉運必需的內吞體分選復合物 (ESCRT-III)平面螺旋多聚體結構。該研究成果發表在《美國國家科學院院刊》。

ESCRT是一類進化保守的生物大分子機器，廣泛存在于古菌、細菌和真核生物中，負責真核細胞中所有背離細胞質方向的膜重塑過程，如細胞分裂、細胞核膜重塑、質膜損傷修復和神經元修剪等。ESCRT的功能紊亂會導致癌癥與神經退行性疾病等的發生。

ESCRT分子機器由ALIX、ESCRT-I、ESCRT-II、ESCRT-III和Vps4五個亞復合物組成，其中，ESCRT-III負責膜重塑中最重要的膜形變和膜分裂過程。此前，沈慶濤團隊利用冷凍電鏡觀測到ESCRT-III的平面螺旋多聚體形式。然而，ESCRT-III平面螺旋多聚體具有直徑細、高度卷曲、嚴重優勢取向等特點，給其三維結構解析帶來巨大挑戰，嚴重制約了對ESCRT-III介導的膜重塑機制的理解。

基于中央截面定理，三維重構的關鍵步驟在于計算每個顆粒精準的歐拉角。目前，歐拉角是通過顆粒與模板的匹配獲取的，極易陷入局部最優值陷阱，造成重構錯誤。

在該研究中，科研人員收集了擎轉后的樣品數據，開發了描繪ESCRT-III平面螺旋多聚體的圖形軟件，充分利用相鄰顆粒之間的幾何約束，通過數學計算求取顆粒初始歐拉角，開發了直接賦值顆粒歐拉角的重構方法，成功解析了ESCRT-III不同構象的三維結構，勾勒出ESCRT-III在膜上的組裝形式和組裝機制。

該工作為研究ESCRT-III多聚體由平面螺旋向圓頂結構轉變提供了初始構象，為研究ESCRT-III介導的膜重塑提供了新方向。該研究中所提出的重構方法，有效規避了冷凍電鏡單顆粒重構中的局部最優解問題，也為解析脂質體和細胞器等膜系統上受幾何限制、具有嚴重優勢取向的大分子復合物的結構提供了新的策略。

相關論文信息：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2319115121