2013年，高寧研究組和美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的約翰·伍爾福德(John L. Woolford Jr)教授研究組攜手合作，利用清華大學(xué)的高端冷凍電鏡平臺(tái)，以真核生物酵母菌為材料，開(kāi)展真核核糖體的裝配研究工作。2015年，合作研究獲得重大突破，課題組得到了酵母細(xì)胞核內(nèi)的一系列組成上和結(jié)構(gòu)上不同的核糖體60S亞基前體復(fù)合物的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。

核糖體是一種廣泛存在于細(xì)胞中的分子機(jī)器。所有生物，包括微小的細(xì)菌直至人類個(gè)體，都依賴核糖體對(duì)各種各樣的蛋白質(zhì)進(jìn)行生物合成。作為一個(gè)分子量巨大的復(fù)合物，核糖體本身是如何在細(xì)胞中由多條RNA鏈及超過(guò)70種蛋白分子裝配而成?這一問(wèn)題已困擾相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)家近30年。

核糖體自身是一個(gè)由核糖核酸(RNA)和蛋白質(zhì)組成的超大復(fù)合物(半徑20納米)，其三維結(jié)構(gòu)和分子機(jī)制的研究一直是生命科學(xué)基礎(chǔ)研究中的重要方向。2009年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)即授予了首次解析出細(xì)菌核糖體原子分辨率的三位結(jié)構(gòu)生物學(xué)家。

真核細(xì)胞核糖體裝配過(guò)程是個(gè)高度復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程，有超過(guò)300種不同功能的輔助裝配因子(蛋白質(zhì)或者RNA)參與其中。然而絕大多數(shù)裝配因子的結(jié)構(gòu)及其行使功能的分子機(jī)理完全未知。此外，核糖體的組裝與細(xì)胞的生長(zhǎng)調(diào)控通路密切相關(guān)，某些裝配因子的遺傳突變會(huì)導(dǎo)致核糖體生物生成的失調(diào)，引起一系列的人類遺傳性疾病(稱為ribosomopathies)。某些特定的裝配因子(例如eIF6)不正常表達(dá)也在多種人類癌癥細(xì)胞中被發(fā)現(xiàn)。因此，針對(duì)核糖體裝配過(guò)程的研究不僅具有重要的科學(xué)意義，還具有潛在的臨床應(yīng)用潛力。

酵母核糖體大亞基組裝中間體的3.08埃冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。a，3.08 埃冷凍電鏡密度圖，核糖體蛋白顏色為米色，核糖體RNA顏色為灰色。b，19個(gè)裝配因子的原子模型。

清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院高寧研究組自2009年一直致力于研究各種生物的核糖體裝配過(guò)程。2013年，高寧研究組和美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的約翰·伍爾福德(John L. Woolford Jr)教授研究組攜手合作，利用清華大學(xué)的高端冷凍電鏡平臺(tái)，以真核生物酵母菌為材料，開(kāi)展真核核糖體的裝配研究工作。2015年，合作研究獲得重大突破，課題組得到了酵母細(xì)胞核內(nèi)的一系列組成上和結(jié)構(gòu)上不同的核糖體60S亞基前體復(fù)合物的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。其中一種狀態(tài)的三維結(jié)構(gòu)分辨率達(dá)到3.08埃，其核心部分的分辨率可達(dá)2.8埃，是國(guó)際在核糖體組裝研究領(lǐng)域迄今為止分辨率*高的結(jié)構(gòu)?；谶@一冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，課題組確定了超過(guò)20種不同裝配因子在核糖體60S前體上的結(jié)合位置，并獲得了19種裝配因子的原子模型。課題組所提供的豐富結(jié)構(gòu)信息為詳細(xì)闡釋真核核糖體裝配過(guò)程中的多種裝配因子功能和分子機(jī)制提供了重要基礎(chǔ)。

2016年5月25日，報(bào)道這一重大突破的研究論文在線發(fā)表于《自然》(Nature)期刊，題目為《細(xì)胞核內(nèi)的核糖體組裝前體結(jié)構(gòu)揭示了裝配熟因子的功能多樣性》(Diverse roles of assembly factors revealed by structures of late nuclear pre-60S particles)。高寧研究員和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)約翰·伍爾福德(John L. Woolford Jr)教授為論文共同通訊作者，清華大學(xué)生命學(xué)院2013級(jí)博士生吳姍為**作者。北京生命科學(xué)研究所董夢(mèng)秋教授及譚丹博士提供了化學(xué)偶聯(lián)交聯(lián)質(zhì)譜數(shù)據(jù)。論文中冷凍電鏡數(shù)據(jù)收集和處理工作獲得了國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)(北京)設(shè)施清華大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)及高性能計(jì)算平臺(tái)支持。課題組得到了中國(guó)科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、清華大學(xué)自主科研、北京高精尖結(jié)構(gòu)生物學(xué)中心的經(jīng)費(fèi)支持。