一個國際研究人員團隊首次使用Diamond Light Source的I24和B23光束線以空前的分辨率可視化了光敏感蛋白原型細菌視紫紅質3(AR3)。該光感受器由死海中生長的一種生物哈洛單核菌表達，但因其在光遺傳學實驗中的應用而聞名，在光遺傳學實驗中，該感受器用于沉默單個神經(jīng)元并檢測細胞膜電壓的變化。這些新結構為開發(fā)神經(jīng)科學，細胞生物學及其他領域的新工具和方法學開辟了道路。

在今天發(fā)表于《自然通訊》上的論文中，研究小組報告了AR3基態(tài)的第一個結構。在這種狀態(tài)下，蛋白質被配置為針對每個吸收的光子，將一個H +離子轉運穿過細胞膜。該團隊還能夠使感光體以第二種構型結晶，這是AR3在長時間不存在光的情況下采用的脫敏狀態(tài)。

牛津大學的通訊作者安東尼·沃茨教授說。“對于這些AR3結構，我們獲得的極佳分辨率(基態(tài)為1.07Å)是迄今為止在Protein Data Bank中沉積的野生型膜蛋白的最高分辨率。這種質量使我們能夠直接看到復雜的分布受體內部的水分子，并描述它們形成的復雜氫鍵網(wǎng)絡的功能意義，這在許多生物分子中不僅是光感受器也很重要，AR3中的這些網(wǎng)絡涉及與視網(wǎng)膜基團和氨基酸側鏈的相互作用并且在本文中，我們展示了它們在蛋白質的基態(tài)和脫敏狀態(tài)之間如何變化。”

聯(lián)合第一作者Juan Francisco Bada Juarez博士解釋了AR3蛋白的重要性;“過去十年中光遺傳學的令人興奮的發(fā)展引起了全世界科學家對AR3的強烈興趣。該蛋白的突變體通常用于神經(jīng)科學實驗中，以選擇性地沉默單個神經(jīng)細胞，并檢測跨膜電壓的變化。但是， ，這些突變體是在不了解蛋白質本身結構的情況下進行設計的，我們的數(shù)據(jù)為結構生物學家和蛋白質工程師提供了AR3的“藍圖”，因此，我們可以預期新的光遺傳學工具的開發(fā)將大大加速。 。”

國家物理實驗室(NPL)的共同通訊作者Isabel Moraes博士補充說：

“非常高分辨率的衍射數(shù)據(jù)使我們能夠詳細觀察感光器中幾個關鍵氨基酸和單個水分子的運動自由度。由于我們所具有特征的復雜性，解決AR3結構具有極大的挑戰(zhàn)性。可以分辨原子分辨率。蛋白質內的許多氨基酸側鏈在一個以上的位置或方向上被解析，表明它們對蛋白質功能的重要性。了解這些基團的動力學是了解敏化和脫敏過程如何進行的關鍵地方。”

該團隊解決了高分辨率的晶體結構，這對于理解蛋白質的工作原理至關重要。沒有牛津郡迪科特附近的英國國家同步加速器“鉆石光源”的最新微聚焦光束線，就不可能獲得如此高質量的衍射數(shù)據(jù)。該團隊與Diamond的幾位專家緊密合作。

“由牛津和NPL團隊開發(fā)的微晶非常適合I24光束線的能力。使用Diamond的DIALS軟件開發(fā)小組開發(fā)的軟件，我們能夠合并來自多個晶體的衍射圖像，以獲得完整的數(shù)據(jù)集。精確的微焦點X射線傳送和先進的數(shù)據(jù)分析使我們能夠將最終結構的分辨率推向極限。” Diamond高級Beamline科學家Danny Axford博士說。

瓦茨教授總結說：“這是一項令人著迷的研究。很高興與英國和世界各地的眾多專家同事合作。 AR3具有兩個重要的功能狀態(tài)，但是獲得的見解加深了我們對許多其他受體蛋白中敏化和脫敏過程如何發(fā)生的認識。”

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