低温电子断层扫描 (cryo-ET) 可用于观察和分析自然环境中的细胞结构。马丁斯里德马克斯理工学院生物化学系和哥廷根大学医学中心的研究人员现已使用低温电子断层扫描研究大肠杆菌中的蛋白质折叠辅助物，即所谓的分子伴侣复合物。

这些分子伴侣帮助新合成的蛋白质折叠成正确的功能形式。研究人员能够以前所未有的细节阐明折叠反应，监测分子伴侣的构象变化及其与折叠室内的客户蛋白的相互作用。

该研究结果已发表在《自然》杂志上。

蛋白质折叠辅助分子伴侣

蛋白质是生命的分子组成部分。为了在细胞中发挥多种功能，每种蛋白质都必须采用确定的三维结构，类似于机器中的部件。蛋白质折叠辅助物(称为分子伴侣)可帮助新合成的蛋白质实现其功能形状。

马里兰理工大学生物化学系主任、生物化学家 F.-Ulrich Hartl 解释说：“我从事分子伴侣研究已有 30 多年。这种蛋白质复合物在几乎所有生物体中都保持不变，对正确的蛋白质折叠和细胞存活至关重要。错误折叠的蛋白质与阿尔茨海默氏症和帕金森氏症等疾病有关。了解分子伴侣的结构和功能可能有助于我们制定治疗这些疾病的新策略。”

为了更好地了解分子伴侣的作用原理，Hartl 与结构生物学家 Wolfgang Baumeister(MPIB 名誉主任兼冷冻电子断层扫描 (cryo-ET) 发明者)以及来自哥廷根大学医学中心 (UMG) 神经病理学研究所的 Rubén Fernández-Busnadiego)进行了合作。Rubén Fernández-Busnadiego 也是“多尺度生物成像：从分子机器到可兴奋细胞网络” (MBExC) 卓越集群的成员。

伴侣蛋白复合物

在细菌中，伴侣蛋白复合物由两个不同的亚基组成，GroEL 和 GroES。GroEL 被组织成两个堆叠的环，形成一个桶状结构。GroES 充当 GroEL 桶状结构的盖子。新产生的蛋白质被封装在纳米尺寸的桶状结构中，并允许折叠，同时免受细胞环境的影响。

研究人员能够在细胞内展示 GroEL-GroES 复合物的两种主要形式，即“子弹”和“足球”(以美式足球的形状命名)。这两种形式在结构对称性方面有所不同。在子弹形式中，GroES 帽仅与 GroEL 桶的一侧结合。这种形状主要存在于正常生长的细菌中。此外，还检测到了足球复合物。

显微镜图像还显示，折叠的蛋白质位于分子伴侣桶内。这项研究的研究员、马丁斯里德和哥廷根的科学家乔纳森·瓦格纳 (Jonathan Wagner) 说：“令人着迷的是，低温电子显微镜现在如此先进，我们可以如此详细地跟踪活细胞中的蛋白质折叠等过程。”

Fernández-Busnadiego 解释说：“在这项研究中，我们将低温电子显微技术与单粒子低温电子显微镜(cryo-EM) 和定量质谱技术相结合。这使我们能够观察到不同细胞状态下的伴侣蛋白复合物的不同构象并确定其丰度。能够直接在细菌中而不是仅在试管中可视化这些复合物代表了该领域的一项重大进步，而且最近才成为可能，因为这种伴侣蛋白复合物只有 14 纳米宽。

“数十年来，对纯化的 GroEL/ES 复合物的实验导致了关于该机制如何工作的相互矛盾的结果。这可能是因为体外实验无法完全重现细胞内部的情况。我们现在可以通过细胞冷冻电子断层扫描 (Cryo-ET) 解决这个难题，因为我们可以在天然、不受干扰的细胞环境中以高分辨率对复合物进行成像。”

Hartl 总结道：“结果表明，在分子伴侣辅助的蛋白质折叠过程中，分子伴侣的组装方式不同，在一个反应​​循环中，分子伴侣在非对称‘子弹’形状和对称‘足球’形状之间交替。在未来的工作中，我们将重点阐明这些循环的中间状态，以了解它们如何受到 ATP 结合和水解的化学反应的调节。”

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