近日，南方科技大学生命科学学院副教授沈庆涛课题组针对生物大分子组装柔性的难题，基于冷冻电镜单颗粒技术，开发了直接赋值颗粒欧拉角的重构方法，解析了真核细胞中转运必需的内吞体分选复合物 (ESCRT-III)平面螺旋多聚体结构。该研究成果发表在《美国国家科学院院刊》。
ESCRT是一类进化保守的生物大分子机器，广泛存在于古菌、细菌和真核生物中，负责真核细胞中所有背离细胞质方向的膜重塑过程，如细胞分裂、细胞核膜重塑、质膜损伤修复和神经元修剪等。ESCRT的功能紊乱会导致癌症与神经退行性疾病等的发生。
ESCRT分子机器由ALIX、ESCRT-I、ESCRT-II、ESCRT-III和Vps4五个亚复合物组成，其中，ESCRT-III负责膜重塑中最重要的膜形变和膜分裂过程。此前，沈庆涛团队利用冷冻电镜观测到ESCRT-III的平面螺旋多聚体形式。然而，ESCRT-III平面螺旋多聚体具有直径细、高度卷曲、严重优势取向等特点，给其三维结构解析带来巨大挑战，严重制约了对ESCRT-III介导的膜重塑机制的理解。
基于中央截面定理，三维重构的关键步骤在于计算每个颗粒精准的欧拉角。目前，欧拉角是通过颗粒与模板的匹配获取的，极易陷入局部最优值陷阱，造成重构错误。
在该研究中，科研人员收集了擎转后的样品数据，开发了描绘ESCRT-III平面螺旋多聚体的图形软件，充分利用相邻颗粒之间的几何约束，通过数学计算求取颗粒初始欧拉角，开发了直接赋值颗粒欧拉角的重构方法，成功解析了ESCRT-III不同构象的三维结构，勾勒出ESCRT-III在膜上的组装形式和组装机制。
该工作为研究ESCRT-III多聚体由平面螺旋向圆顶结构转变提供了初始构象，为研究ESCRT-III介导的膜重塑提供了新方向。该研究中所提出的重构方法，有效规避了冷冻电镜单颗粒重构中的局部最优解问题，也为解析脂质体和细胞器等膜系统上受几何限制、具有严重优势取向的大分子复合物的结构提供了新的策略。
相关论文信息：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2319115121
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