结构生物学家有望翻开可视化大分子结构的新篇章

　结构生物学家一直希望能可视化大分子结构，从而探索其功能。但这需要整合多种技术，十分复杂。

　　与其他结构生物学家一样，加利福尼亚大学(University of California)的Eva Nogales碰上了好时代。

　　Nogales现在可以利用工具解决几年前根本无法解答的分子机器相关问题。

　　Nogales和Jennifer Doudna——是的，就是大名鼎鼎的CRISPR-Cas9发明人——最近在合作的一个项目就是在探索这样的问题。很多情况下，在DNA被CRISPR-Cas9剪切前，细胞内会形成一个由核苷酸构成的R环，Doudna和Nogales都对这个R环非常感兴趣。Nogales等人对化脓性链球菌(Streptococcus pyogenes)中的R环进行了成像，得到了近原子分辨率的结构图像，提示了在特定位点Cas9酶如何打开DNA。

　　这项工作最突出的两个亮点是：1，科学家们快速地将功能与结构联系了起来;2，他们把成像方法结合了起来。一个多世纪以来，结构生物学的首选方法一直是X射线晶体衍射法。但有些生物分子太大或太小，难以结晶，因此不能采用X射线法。一些分子在发挥功能时，会发生形态或朝向的变化，而结晶法无法捕捉这些动态变化。

　　现在，科学家们有一个庞大的成像工具库作为晶体法的补充。一些方法，如低温电子显微镜(cryo-EM)或化学家的核磁共振(nuclear magnetic resonance， NMR)成像，都能在不结晶的情况下，获得接近原子分辨率的结构图像，揭示分子的形状、大小和方向。但并非所有的方法对细胞内所有蛋白质、核酸都有用。

　　经验证明，没有一个单一的方法足以探讨在细胞中发生的动态行为和复杂的相互作用。最好的解决办法是整合来自多个方法的图像。

　　这种方法得到了诸多研究者的支持。加利福尼亚斯坦福大学(Stanford University)的结构生物学家Roger Kornberg指出，每个[方法]都能提供一些重要信息，结合起来，能实现1+1>2的效果。Kornberg由于在揭示基因转录的机制方面的杰出贡献于2006获得了诺贝尔化学奖。对于这一突破性的研究，他使用的是X射线晶体衍射法。现在，和其他的晶体学家一样，他开始使用多种方法的结合。

　　Kornberg继续分析RNA聚合酶II，但现在他把冷冻电镜和晶体学结合起来。冷冻电镜可用于不易结晶的分子，并且可用于解析较大的分子，但目前分辨率还比不上晶体学。Kornberg的实验室还使用化学交联和质谱来揭示邻近蛋白质之间的关系，以及利用已知蛋白质的信息进行同源性建模。

　　Nogales和Doudna的团队也使用混合方法来研究R环。Nogales表示，高分辨率的X射线晶体法无法解析完整的R环结构，所以他们用低分辨率的冷冻电镜对完整的环结构进行解析。只有把两者结合起来，研究者们才能真正揭示CRISPR-Cas9系统中R环的作用。

　　这种混合或综合性方法有助于研究人员深入研究基础科学问题，对药物开发者也非常有用。细胞膜上发现的大蛋白质往往是治疗靶标，高分辨率混合方法能揭示药物与受体相互作用的原子细节。同样，通过展示艾滋病毒、埃博拉病毒和其它病原体的包装蛋白与免疫细胞相互作用的机制，诱导保护性反应，混合方法可能能够帮助疫苗的发展。纳什维尔范德堡大学(Vanderbilt University)的结构生物学家Jens Meiler表示，这些结构对于人们理解免疫系统的工作机制非常重要。

　　Noglaes总结到：这是混合方法的黄金时代。