近日，北京大學生命科學學院、北大-清華生命科學聯(lián)合中心郭強研究員課題組在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“突破進展（NAR Breakthrough Article）”。在本項工作中，研究者發(fā)展了一種用于分析細胞內生物大分子拓撲結構的聚類方法，并結合冷凍電子斷層掃描技術，進一步分析了細胞內多聚核糖體（polyribosome）的原位結構。

隨著冷凍電子斷層掃描（Cryo_ET）技術的開發(fā)和進步， 研究者能在細胞生理狀態(tài)下解析生物大分子的原位結構（1）。雖然目前開發(fā)了眾多針對單個蛋白質結構解析的算法，但對大分子的空間組織或者所謂的“細胞內分子社會學“關注仍比較少，但這對于理解細胞功能而言是十分重要的。為此，郭強課題組和合作者發(fā)展了一種用于相鄰生物大分子拓撲結構分析的聚類方法。在該方法中，研究者首先根據生物大分子在細胞內的位置和空間旋轉角度定義了轉化距離（transformation distance）來定量描述相鄰生物大分子拓撲結構的相似度，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胞和真核細胞胞質內多聚核糖體的結構特征，并完成了一整套多聚核糖體結構分析流程。研究發(fā)現細胞內核糖體之間呈現多種不同的規(guī)律排布，并可據此區(qū)分游離和內質網膜表面的核糖體。

圖一 兩種占比較多的核糖體拓撲模塊

研究者進一步發(fā)現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其中的mRNA避免被外界的RNA水解酶降解并有助于蛋白質更加高效地翻譯。出乎意料的，研究者發(fā)現這種長程有規(guī)律的多聚核糖體占比較低，更多的多聚核糖體是由規(guī)則的幾個核糖體構成模塊構成，這些模塊確保了多聚核糖體拓撲結構的多樣性。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胞內多聚核糖體的原位結構，進一步加深了對蛋白質翻譯調控的理解。同時該方法也適用于其他生物大分子的原位拓撲分析，為原位結構生物學研究提供嶄新維度。

本文的通訊作者為郭強及馬普生化所（Max Planck of Biochemistry）Florian Beck先生。郭強課題組博士研究生江文宏為本文的第一作者。郭強課題組技術員杜文靜為本課題作出了重要的貢獻。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據采集在北京大學冷凍電鏡平臺和馬普生化所完成。該項目的數據處理獲得了北京大學未名超算平臺的硬件和技術支持。北京大學國家蛋白質科學中心的工作人員提供了技術支持。該研究得到了北大-清華生命科學聯(lián)合中心（CLS）、生命科學學院（SLS）、SLS-啟東創(chuàng)新基金以及昌平實驗室的經費支持。

方法源代碼及教程：https://github.com/GuoQLabPKU/polysomeTracking

參考文獻：

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.

來源：北京大學