子科生物報(bào)道：近日，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心郭強(qiáng)研究員課題組在Nucleic Acids Research雜志在線發(fā)表了題為“A transformation clustering algorithm and its application in polyribosomes structural profiling”的研究文章，并被評選為“突破進(jìn)展（NAR Breakthrough Article）”。在本項(xiàng)工作中，研究者發(fā)展了一種用于分析細(xì)胞內(nèi)生物大分子拓?fù)?span id="g6sx7lpz5px" class="tip_s">結(jié)構(gòu)的聚類方法，并結(jié)合冷凍電子斷層掃描技術(shù)，進(jìn)一步分析了細(xì)胞內(nèi)多聚核糖體（polyribosome）的原位結(jié)構(gòu)。

隨著冷凍電子斷層掃描（Cryo_ET）技術(shù)的開發(fā)和進(jìn)步， 研究者能在細(xì)胞生理狀態(tài)下解析生物大分子的原位結(jié)構(gòu)（1）。雖然目前開發(fā)了眾多針對單個蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析的算法，但對大分子的空間組織或者所謂的“細(xì)胞內(nèi)分子社會學(xué)“關(guān)注仍比較少，但這對于理解細(xì)胞功能而言是十分重要的。為此，郭強(qiáng)課題組和合作者發(fā)展了一種用于相鄰生物大分子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析的聚類方法。在該方法中，研究者首先根據(jù)生物大分子在細(xì)胞內(nèi)的位置和空間旋轉(zhuǎn)角度定義了轉(zhuǎn)化距離（transformation distance）來定量描述相鄰生物大分子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的相似度，并用于后續(xù)的聚類分析。

研究者將該方法用于檢測和描述原核細(xì)胞和真核細(xì)胞胞質(zhì)內(nèi)多聚核糖體的結(jié)構(gòu)特征，并完成了一整套多聚核糖體結(jié)構(gòu)分析流程。研究發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)核糖體之間呈現(xiàn)多種不同的規(guī)律排布，并可據(jù)此區(qū)分游離和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜表面的核糖體。

圖一 兩種占比較多的核糖體拓?fù)淠K

研究者進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)一部分核糖體可以采用螺旋或者平面連接的方式排列成多聚核糖體，這種排列方式可能保護(hù)其中的mRNA避免被外界的RNA水解酶降解并有助于蛋白質(zhì)更加高效地翻譯。出乎意料的，研究者發(fā)現(xiàn)這種長程有規(guī)律的多聚核糖體占比較低，更多的多聚核糖體是由規(guī)則的幾個核糖體構(gòu)成模塊構(gòu)成，這些模塊確保了多聚核糖體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多樣性。有趣的是同一多聚核糖體上相鄰的核糖體傾向處于一致的構(gòu)象，暗示了可能存在的翻譯行為的協(xié)同性。

圖二 由相同模塊組成的長程有序的多聚核糖體

總之，本研究首次詳盡分析了真核細(xì)胞內(nèi)多聚核糖體的原位結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步加深了對蛋白質(zhì)翻譯調(diào)控的理解。同時該方法也適用于其他生物大分子的原位拓?fù)浞治?，為原位結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究提供嶄新維度。

本文的通訊作者為郭強(qiáng)及馬普生化所（Max Planck of Biochemistry）Florian Beck先生。郭強(qiáng)課題組博士研究生江文宏為本文的第一作者。郭強(qiáng)課題組技術(shù)員杜文靜為本課題作出了重要的貢獻(xiàn)。馬普生化所Wolfgang Baumeister教授為該工作提供了幫助。該工作中冷凍電鏡樣品制備和數(shù)據(jù)采集在北京大學(xué)冷凍電鏡平臺和馬普生化所完成。該項(xiàng)目的數(shù)據(jù)處理獲得了北京大學(xué)未名超算平臺的硬件和技術(shù)支持。北京大學(xué)國家蛋白質(zhì)科學(xué)中心的工作人員提供了技術(shù)支持。該研究得到了北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心（CLS）、生命科學(xué)學(xué)院（SLS）、SLS-啟東創(chuàng)新基金以及昌平實(shí)驗(yàn)室的經(jīng)費(fèi)支持。

參考文獻(xiàn)：

1.Mahamid, J., Pfeffer, S., Schaffer, M., Villa, E., Danev, R., Cuellar, L.K., F?rster, F., Hyman, A.A., Plitzko, J.M. and Baumeister, W. (2016) Visualizing the molecular sociology at the HeLa cell nuclear periphery. Science, 351, 969-972.