结构速递 | 一周“结构”要览 VOL.39(11.28~12.04)

上周发布了哪些“结构”文章？又取得了哪些科研进展？

结构速递栏目以每周“结构”相关领域刊文为主题，梳理一周结构发文大事记，“结构速递”为您传递最新、最快、最权威的结构资讯。

2022.11.28~2022.12.04

CNS刊登文章

01 Nature

2022/11/28

1.“Structures of the holo CRISPR RNA-guided transposon integration complex”

CRISPR相关转座子（CAST）是一种编程式的移动遗传元件，利用RNA引导的机制插入大型DNA。CAST元件包含多个保守基因，包括：一个CRISPR效应器（Cas12k或Cascade）、一个AAA+调节器（TnsC）、转座酶（TnsA/TnsB）以及一个靶点相关因子（TniQ）。这些成分被认为是通过形成一个多亚基转座整合复合物（转座体）来协同整合DNA。

来自美国康奈尔大学的Elizabeth H. Kellogg课题组重构了来自Scytonema hofmanii（ShCAST）的大约1 MDa V-K型CAST转座体，并使用冷冻电镜解析出一个接近原子分辨率（3.5Å）的结构。转座体结构揭示了各组分之间的关联。Cas12k与核糖体亚基S15和TniQ形成一个复合物，促使整个R-loop的形成更稳定。TnsC与TniQ和TnsB有专门的互作界面。有趣的是，研究人员在TnsC的C末端表面观察到了新的TnsC-TnsB相互作用，这有助于激活ATP酶。尽管TnsC寡聚体和在单独组装过程中发现的螺旋构型差别不大，但TnsC结合的靶DNA构象在转座体中有显著不同。因此，TnsC在整个转座体中产生了新的蛋白质-DNA相互作用，这对转座活性很重要。最后，研究人员发现了两个不同的转座体群组，表明与CRISPR效应器的关联可以是灵活的。这种ShCAST转座体结构显著增强了人们对CAST转座系统的理解，并提出了改进CAST转座的途径，以便进行精确的基因组编辑应用。

2022/11/28

2.“Cryo-EM structures of the active NLRP3 inflammasome disk”

炎症小体是一种在固有免疫和疾病发生过程中具有重要作用的多蛋白复合体，在受到外源或者内源危险信号刺激后可以招募下游接头蛋白激活caspase-1，激活的caspase-1进而可以切割GSDMD导致细胞焦亡（pyroptosis），并促进成熟细胞因子的分泌。炎症小体包括NLRP1、NLRP3、NLRP6，NLRC4和AIM2等，其中NLRP3是炎症小体中最为重要也是最为神秘的成员。据报道，NLRP3在多种疾病发生过程中扮演着重要角色，包括家族周期性自身炎症反应、II型糖尿病、阿尔兹海默症、关节炎症，动脉粥样硬化症以及由新冠病毒引起的急性细胞因子风暴等。

来自哈佛大学医学院的吴皓课题组通过体内和体外重组了由尼日利亚菌素激活的人源NLRP3-NEK7-ASC炎症小体，并采用ATP类似物ATPγS将重组的炎症小体稳定在激活状态，最后通过冷冻电镜解析了该复合物3.4 Å的高分辨率冷冻电镜结构。在这些NLRP3-NEK7-ASC复合物中，NLRP3的中心NACHT结构域呈现ATP结合的构象，其中两个子结构域相对于ADP结合的非活性构象旋转了约85°。在NLRP3中保守但在大多数NLRPs中缺失的FINA结构域在其关键区域变得有序，从而稳定了处在激活态的NACHT构象并介导盘装复合物中的大多数相互作用。参与这些相互作用的位点突变抑制了NLRP3介导的caspase-1激活。寡聚的所有NLRP3 N-末端PYD结构域聚集在一起形成PYD细丝，该细丝招募ASC以引发下游信号。令人惊讶的是，C端LRR结构域和LRR结合的NEK7不参与盘状结构。与先前的非活性NLRP3笼状结构（LRR-LRR相互作用在其中发挥重要作用）一起分析，研究人员提出NEK7的作用是打开非活性的笼状结构，将NLRP3转化为激活态的盘状NLRP3炎症小体。综上，该研究突破性的揭示了NLRP3炎症小体的激活组装机制，为开发相关的药物提供了重要的理论和实验基础。

2022/11/30

3. “Molecular basis for selective activation of DREADD-based chemogenetics”

2007年，Bryan Roth教授实验室利用定向进化的酵母筛选平台，成功获得可以被药理惰性化合物氧化氯氮平（Clozapine-N-oxide,CNO） 选择性激活的改造蕈毒碱型乙酰胆碱受体(muscarinic acetylcholine receptor,mAChR)的化学遗传操作系统，并命名为DREADD（Designer Receptors Exclusively Activated by Designer Drugs），该系统代表了一种强大的化学遗传学技术，可以用于远程控制神经元活动和细胞信号。基于蕈毒碱受体的DREADD是神经科学研究中使用最广泛的化学遗传学工具。Gq偶联的DREADD（hM3Dq）用于增强神经元活性，而Gi/o偶联的DRADD（hM4Di）用于抑制神经元活性。开发具有高代谢稳定性，高选择性，高效能的激动配体成为化学遗传学领域的一个重要课题。

来自美国北卡罗莱纳大学教堂山分校Bryan L. Roth和美国马里兰大学医学院Jonathan F. Fay合作解析了四种与DREADD相关的冷冻电镜高分辨率结构：与deschloroclozapine结合的hM3Dq-miniGq复合物和hM4Di-miniGo复合物；与CNO结合的hM3Dq–miniGq复合物；以及与iperoxo结合的hM3R–miniGq复合物。通过突变、功能和计算模拟数据的补充分析，研究揭示了DREADD作为化学遗传工具的关键细节和激活的分子基础。这些发现将加速结构指导下的下一代化学遗传学工具的开发。

2022/11/30

4. “Structure-based design of bitopic ligands for the µ-opioid receptor”

阿片类受体激动剂（µOR）（如芬太尼）长期以来一直被用于止痛，但由于其不良副作用，甚至可能致命，2020年有近7万美国人死于阿片类药物过量，其中大多数死于合成阿片类药物芬太尼。

为了设计更安全的治疗方法，来自南加州大学的Vsevolod Katritch、圣路易斯华盛顿大学的Susruta Majumdar和斯坦福大学的Georgios Skiniotis和Brian K. Kobilka课题组合作发表了一种概念上非常新颖的方法，通过连有带正电荷胍基的具有功能的双位芬太尼衍生物，靶向µOR3和许多其他A类GPCR中观察到的保守钠（Na+）结合位点。μOR复合物中最有效的双位配体的冷冻电镜结构分析显示了配体的胍基和Na+位点中的关键Asp2.50残基之间的关键相互作用。虽然领先的双位配体们在Gi亚型中保持纳摩尔的亲和力和高效力，但它们显示出显著减少的招募arrestin的能力，其中一种还在µOR激动剂组中显示出最低的Gz效力。在小鼠中，最佳的双位配体表现出µOR依赖性的镇痛作用，其副作用减弱，表明µOR Na+位点可作为设计更安全镇痛剂的潜在靶点。总的来说，研究表明，在A类GPCR中，与Na+口袋结合的双位配体可以设计成控制其对Gi/o/z亚型和arrestins的效力和功能选择性，从而调节其在体内的药理学。

02Cell 

2022/12/02

“IFT-A structure reveals carriages for membrane protein transport into cilia”

鞭毛内运输（IFT）系统是一种在纤毛和细胞体之间运输蛋白质的巨大分子机器。每个IFT都是两个大型复合物（IFT-A和IFT-B）和马达蛋白组成的动态聚合物，目前人们对其具体运输机制还缺乏理解。

来自伦敦伯克贝克大学的Katerina Toropova和Anthony J. Roberts课题组合作重组了完整的人的IFT-A复合物，并使用冷冻电镜解析了其结构。结合AlphaFold预测和基因组编辑，本研究阐明了IFT-A如何聚合，如何与IFT-B相互作用，并利用一系列β-propeller和TPR结构域创建IFT的“车厢”，从而与衔接蛋白TULP结合。研究证明IFT-A⋅TULP“车厢”对于多种膜蛋白的纤毛定位以及调节IFT解聚的关键激酶ICK至关重要。这些数据在IFT-A的不同功能之间建立了结构联系，阐明了IFT是如何从原始包被体祖先进化而来的。

Science 本周无

2022.11.28~2022.12.04

子刊刊登文章

01Molecular Cell 

12.01

“Bacterial origins of cyclic nucleotide-activated antiviral immune signaling”

02Nature Structural & Molecular Biology

12.01

“Mechanism of cyclic β-glucan export by ABC transporter Cgt of Brucella”

03Nature Communications

11.29

1.“HSP90-CDC37-PP5 forms a structural platform for kinase dephosphorylation”

11.30

2.“Time-resolved β-lactam cleavage by L1 metallo-β-lactamase”

11.30

3.“Structures of the R-type human Cav2.3 channel reveal conformational crosstalk of the intracellular segments”

12.01

4.“Electron cryo-microscopy reveals the structure of the archaeal thread filament”

12.02

5.“Structures of the eukaryotic ribosome and its translational states in situ”

12.02

6.“Structural insights into mechanism and specificity of the plant protein O-fucosyltransferase SPINDLY”

12.03

7.“Cryo-EM structure of ssDNA bacteriophage ΦCjT23 provides insight into early virus evolution”

04 Science Advances

11.30

1.“Structure and host specificity of Staphylococcus epidermidis bacteriophage Andhra”

11.30

2.“Molecular architecture of the Chikungunya virus replication complex”

Cell Research

本周无

作者 | 谭佳鑫

审稿 | 肖媛

责编 | 囡囡

设计、排版 | 可洲