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唯尚立德


01.

从结构上揭示流感病毒核糖核蛋白复合物组装和持续性RNA合成,有望开发出泛流感药物

研究人员得出结论:链滑动可保持基因组结构,并可能帮助流感病毒躲避免疫传感蛋白的监测。阻断这种尾环接触可能阻止这种躲避,为研制泛流感药物提供新的途径。

在一项新的研究中,宾夕法尼亚大学研究人员在流感病毒核糖核蛋白复合体(RNP)中发现了一种右旋反平行双螺旋结构。该结构能够在病毒聚合酶复制RNA时实现链间滑动,为开发靶向保守位点的广谱抗病毒药物提供了新方向。相关研究结果发表在Science杂志上。

季节性流感每年导致290000-650000例死亡。现有疫苗和大多数抗病毒药物靶向病毒表面蛋白,但这些蛋白每个流行季都会发生快速变异,导致保护效果减弱。而流感病毒核心分子机器——核蛋白(NP)和RNA聚合酶的结构特征尚未解析,阻碍了广谱药物的研发。

在这项研究中,研究人员整合了低温电镜单颗粒分析和低温电子断层扫描技术,揭示了NP链与RNA聚合酶如何协同完成持续性RNA合成。

通过对 17414 张数字显微照片的分析,确定了 516476 个重组丁型流感病毒非结构片段颗粒和 5738 个天然甲型流感病毒细丝,生成了四个 NP 亚基的 5.1 Å 重构图和另外六个构象的亚纳米图。

研究方法包括在 HEK293T 肾细胞内组装最短的病毒片段,通过串联亲和和甘油梯度纯化完整的复合物,然后在 300 千伏的 Titan Krios上成像,并使用氧化石墨烯支架保护脆弱的RNA聚合酶-NP 接触处。

流感病毒RNP的分子结构及作用机制
NP组装成一个面对面的双链,RNA穿过小槽,一个灵活的尾环固定相邻的原体(protomer)。RNA聚合酶与螺旋外部结合,在两条链相互滑过的过程中与一条链接合,这种能量较轻的螺旋链滑动模式可保持整体结构。针对保守的尾环界面对 3000 万种化合物进行了虚拟筛选,确定了三种候选化合物:化合物 1、5 和 23。化合物 1 和 5 可阻断流感病毒H1N1 在 MDCK 细胞中的复制,且细胞毒性低于 100 µM。化合物 23 在低浓度下表现出中等抗病毒活性,但在 50 µM 以上就会产生细胞毒性。
研究人员得出结论:链滑动可保持基因组结构,并可能帮助流感病毒躲避免疫传感蛋白的监测。阻断这种尾环接触可能阻止这种躲避,为研制泛流感药物提供新的途径。将抗病毒策略从容易漂移的表面蛋白转向流感病毒保守的核心分子机器,最终可能产生广谱的流感治疗方法。
02.
利用人工智能设计出可运动和改变形状的动态蛋白质
研究人员首次证明,可以制造出像天然蛋白质一样运动和改变形状的新型蛋白质。这项突破将帮助科学家们以全新方式设计蛋白质,用于疾病治疗、污染治理和作物增产。
蛋白质通过与其他分子相互作用时的形态变化催化生命活动——无论是肌肉收缩、光感形成,还是从食物中提取能量。但这种关键特性始终未被快速发展的人工智能(AI)辅助蛋白质工程领域所掌握。
如今,在一项新的研究中,来自加州大学旧金山分校(UCSF)的研究人员首次证明,可以制造出像天然蛋白质一样运动和改变形状的新型蛋白质。这项突破将帮助科学家们以全新方式设计蛋白质,用于疾病治疗、污染治理和作物增产。相关研究结果发表在Science杂志上。
论文通讯作者、加州大学旧金山分校生物工程教授Tanja Kortemme博士说,“这项研究迈出了超越生物医学、通向农业与环境应用的第一步。”
自1980年代以来,科学家们已能设计刚性蛋白质(无法运动或改变形状的蛋白质),这类蛋白质最初应用于清洁剂等商业产品,近年更催生了人工胰岛素、GLP-1减肥药及用于癌症和炎症的抗体药物等重磅疗法。Kortemme指出,尽管这些静态分子很重要,但其潜力远不及能复杂旋转、扭曲、变形并恢复原状的动态蛋白质。
医疗领域最需要模拟的是调控代谢、细胞分裂等基础生命功能的蛋白质——近三分之一美国食品药品管理局(FDA)批准药物的作用靶点正是这类通过形态切换(如同开关)实现细胞内外通讯的强有效的蛋白质。
设计这种稳定又动态的蛋白质需要近年才出现的计算能力和人工智能。面对巨大挑战,Kortemme与研究生Amy Guo从基础工作入手:赋予简单天然蛋白质新的运动能力。Guo首先使蛋白质部分结构摆动以实现钙离子结合(蛋白质变形的常见方式),“我们希望开发适用多种场景的设计方法,因此专注于创建能模拟天然蛋白质功能的可动部件,”她解释道,“这种运动特性未来也可添加到静态人工蛋白质以扩展其功能。”
具有可控运动的动态蛋白质的设计,模拟自然信号开关的机制
Guo随后构建了包含数千种可能构象的虚拟蛋白质文库,筛选出能结合钙离子与不能结合钙离子的两种稳定构象。通过原子级相互作用分析,并借助AlphaFold2人工智能程序的加速,她成功使可运动的蛋白质部分通过扭转捕获钙离子然后再释放。与加州大学旧金山分校药物化学家Mark Kelly博士合作进行的核磁共振原子可视化验证中,计算机模拟结果与预期完全一致。Guo表示,“这让我确信我们真的成功了。”
在医疗领域,这种可变形工程蛋白质可用于疾病信号响应的生物传感器,或定制化适配个体生化特性的治疗蛋白。此外,变形蛋白质还能设计用于降解塑料、增强植物抗旱抗虫能力,甚至制造可自修复的金属材料。Guo总结道,“可能性永无止境。”
03.


星形胶质细胞通过腺苷信号传导在神经调节中起着积极的作用

这项新的研究中,研究人员使用了多种传感器来了解星形胶质细胞被激活时会释放出哪些分子。他们发现,当星形胶质细胞中的钙离子升高时,ATP会被释放到细胞之间的胞外空间。
2019 年,来自霍华德-休斯医学研究所的研究人员发现了称为放射状星形胶质细胞(radial astrocyte)的神经胶质细胞在控制斑马鱼一种重要的“放弃”行为中的关键作用。他们发现星形胶质细胞起着计数器的作用,当斑马鱼意识到自己一事无成时会告诉它停止游动,这种行为对它的生存至关重要。但时科学家们不知道这些星形胶质细胞如何与神经元沟通来控制这一行为。

如今,来自霍华德-休斯医学研究所和哈佛大学的研究人员破译了星形胶质细胞与神经元之间的沟通,揭示了星形胶质细胞如何触发一种生化回路,从而调节神经元的活动,使斑马鱼停止游泳。他们的发现表明非神经元星形胶质细胞在调节神经元及其连接的活动中发挥着主导作用。相关研究结果发表在Science杂志上。

尽管神经递质能使单个神经元之间进行持续几毫秒的快速交流,而像这项新研究中发现的这种生化回路这样的神经调节剂则作用于神经元群体,在慢一千倍以上的时间尺度上调节神经元信号,从而在几秒到几分钟的时间尺度上实现灵活的行为。

这项新研究有助于揭示这类神经调节剂是如何到达神经元的,并揭示了星状胶质细胞在神经调节中的重要作用。这也凸显了将非神经元细胞的信息纳入大脑工作原理研究中的重要性。

论文第一作者兼论文共同通讯作者Alex Chen说,“我认为流行的观点是,许多对行为很重要的计算都来自于神经元之间的连接模式。这项研究表明,我们必须了解生化计算和其他形式的非神经元信息,并将其与神经元之间的连接信息结合起来,才能真正了解大脑在做什么。”

论文共同通讯作者Misha Ahrens说,了解神经调节剂如何从星形胶质细胞流向神经元,对于治疗精神疾病也很重要。

Ahrens说,“在精神疾病研究中更频繁地包括这些通路非常有意义。了解到大脑功能和功能障碍背后的许多神经调节都是通过星形胶质细胞进行的,这就支持将这一新的细胞群体视为潜在的治疗靶点。”

揭示沟通

这项新研究建立在同样由Ahrens实验室2019 年领导的一项研究的基础上,当时他们揭示了放射状星形胶质细胞在“放弃”行为中的作用:当斑马鱼意识到自己一事无成时,就会更加努力地游动,星形胶质细胞的活动也随之增强;当星形胶质细胞的活动达到阈值时,这些细胞就会向斑马鱼体内的神经元发出停止游泳的信号。他们当时还发现,神经元通过释放一种名为去甲肾上腺素的神经递质来向星状胶质细胞发出信号,从而增强其活动,这种神经递质会触发星状胶质细胞内部积聚钙离子。但他们不知道星形胶质细胞如何向神经元传递信息,使斑马鱼停止游动。

在这项新的研究中,研究人员使用了多种传感器来了解星形胶质细胞被激活时会释放出哪些分子。他们发现,当星形胶质细胞中的钙离子升高时,ATP会被释放到细胞之间的胞外空间。此外,他们还发现是星形胶质细胞而不是神经元释放了ATP。

众所周知,ATP 是一种载能分子,可为细胞内的几乎所有过程提供能量,但它也可以通过不同类型的受体作为神经元的一种信号传导分子。然而,当研究人员阻断这些 ATP 受体时,他们并没有发现斑马鱼的行为有任何变化。

这表明星形胶质细胞释放的 ATP 并没有直接作用于神经元,而是被分解了。之前的研究已表明,当 ATP 在细胞外释放时,酶会将其转化为腺苷,而腺苷也是大脑中一种已知的神经调节剂。

研究人员发现,当他们阻断神经元上的腺苷受体时,这种放弃行为就会受到抑制。这表明一种细胞外通路将 ATP 分解为腺苷,腺苷激活神经元上的受体,导致斑马鱼放弃并停止游泳。

Chen说,“这让我很惊讶,因为这似乎是一种间接的通路。首先,一种非神经元细胞参与其中,其次,有这种生化回路而不是某种神经元回路来实现这种行为。”

研究人员认为,与神经回路的快速时间尺度相比,这种生化回路可以在较慢的时间尺度上进行调节。他们还推测,分解 ATP 的酶可能在信号传输中发挥重要作用--有可能成为另一种治疗靶点。

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