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Science:北京大学毛有东与欧阳颀课题组等联合揭示炎症复合体冷冻电镜结构

摘要 : 2015年10月8日,国际期刊Science杂志上在线发表北京大学物理学院毛有东研究员、北京大学物理学院/定量生物学中心欧阳颀院士与哈佛医学院吴皓教授合作利用冷冻电子显微镜技术解析了近原子分辨率的炎症复合体的三维结构

 2015年10月8日,国际期刊Science杂志上在线发表北京大学物理学院毛有东研究员、北京大学物理学院/定量生物学中心欧阳颀院士与哈佛医学院吴皓教授合作利用冷冻电子显微镜技术解析了近原子分辨率的炎症复合体的三维结构,首次阐释了其复合物在免疫信号转导过程中的单向多聚活化的分子结构机理,该研究工作题于为“Cryo-EM Structure of the Activated NAIP2/NLRC4 Inflammasome Reveals Nucleated Polymerization”。北京大学定量生物学中心博士研究生陈硕冰与哈佛医学院博士后张丽曼为文章共同第一作者。北京大学物理学院青年千人计划研究员毛有东与哈佛医学院讲席教授、美国科学院院士吴皓为共同通讯作者。

炎症复合体三维结构

先天免疫是人类免疫系统的重要组成部分,炎症复合体在触发先天免疫响应的过程中起到了关键信号转导的效应器作用,从而启动细胞凋亡等免疫应答和炎症反应。炎症复合体是胞浆内一组复杂的多蛋白复合体,是胱天蛋白酶活化所必需的反应平台,其复合物单体由多个结构域构成,并在上游蛋白的激活下诱导组装形成环状复合物。炎症复合体的结构对于认识先天免疫的信号转导过程、免疫调控和病原诱导活化等免疫响应机理具有关键的核心价值,因而成为国内外一流结构生物学和免疫学实验室追捧的研究对象。

细胞中大多数蛋白复合体都展现了一定程度的分子机械效应,并在信号转导和生化调控过程中表现出构象的异质性和动态性,使得传统的结构分析方法,如X射线晶体学和核磁共振等,难以凑效。单颗粒冷冻电子显微镜技术打破了传统的结构分析方法的诸多限制,使得高分辨结构分析可以直接在单分子水平进行。炎症复合体就是一个典型的无法应用传统结构分析方法的例子。炎症复合体在病原体诱导激活以后,在细胞浆内自发组装成多重准对称和不完整复合物结构;由于炎症复合体的蛋白单体具有一定的动态性,炎症复合体可以随机组装成准10重、11重 和12重对称性。由于这些结构的分子量差异极其细微,现有的蛋白纯化技术无法将这些不同构象的炎症复合体分离开来,高度的构象异质性使得炎症复合体难以结晶。由于炎症复合体的分子量巨大,核磁共振技术也无能为力。冷冻电子显微镜技术在这项研究工作中是唯一的选择。然而,目前为数不多的近原子分辨冷冻电镜结构解析的案例中,被研究的蛋白都表现出较高的构象同质性。构象高度异质性的冷冻电镜结构,往往只能达到中低分辨率水平。目前已发表的近原子分辨冷冻电镜结构还没有一例展现出比炎症复合体更多样的构象异质性水平。因此,炎症复合体的结构分析对现有的冷冻电子显微镜技术提出了新的挑战。毛有东、欧阳颀教授课题组利用他们发展的冷冻电镜数据分析的新算法,通过并行统计机器学习,实现了在超级计算机中对这些细微动态构象的深度分离,从而提取出高度纯化的炎症复合体单颗粒图像的数据集,使得高分辨三维重建成为可能。其中11环结构的分辨率达到4.7埃,使得炎症复合体三维原子结构建模成为现实。

炎症复合体三维结构复合体及其单体在激活态与非激活态之间的构象变化

原文链接:

Cryo-EM structure of the activated NAIP2-NLRC4 inflammasome reveals nucleated polymerization

原文摘要:

The NLR family apoptosis inhibitory proteins (NAIPs) bind conserved bacterial ligands, like the bacterial rod protein PrgJ, and recruit the NLR family CARD-containing protein 4 (NLRC4) as the inflammasome adapter to activate innate immunity. Here we show that the PrgJ-NAIP2-NLRC4 inflammasome is assembled into multisubunit disk-like structures through a unidirectional ATPase polymerization, primed with a single PrgJ-activated NAIP2 per disk. Cryo-electron microscopy (cryo-EM) reconstruction at a subnanometer resolution revealed a ~90° hinge rotation accompanying NLRC4 activation. Unlike in the related, heptameric Apaf-1 apoptosome in which each subunit needs to be conformationally activated by its ligand before assembly, a single PrgJ-activated NAIP2 initiates NLRC4 polymerization in a domino-like reaction to promote the disk assembly. These insights reveal the mechanism of signal amplification in NAIP/NLRC4 inflammasomes.

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