电子束拍摄到迄今为止最清晰的亨廷顿病蛋白图像
电子显微镜使亨廷顿病致病蛋白亨廷蛋白以最高分辨率被观察到
了解蛋白质的形状可以帮助科学家理解其工作原理以及在疾病中出现的问题。亨廷顿病致病蛋白亨廷蛋白一直是一个难以捕捉的目标。最近一项使用电子显微镜的研究让我们清晰地看到了亨廷蛋白的样子，为未来的研究铺平了道路。
眼见为实
蛋白质是执行细胞所需的所有重要日常工作的机器。蛋白质精确的三维形状或结构赋予了它执行特定工作的能力。
图片来源：Vijayvargia et al eLife 2016;5:e11184
亨廷顿蛋白是导致亨廷顿病的蛋白质，它有一个由谷氨酰胺（一种蛋白质构建块）组成的“尾巴”。当由于亨廷顿蛋白的 DNA 蓝图中的突变导致尾巴过长时，就会导致 HD。我们还不完全了解额外的谷氨酰胺如何将亨廷顿蛋白从正常功能的蛋白质转变为造成损害的蛋白质。到目前为止，科学家们主要通过研究亨廷顿蛋白的作用来解决这个问题，但也许如果我们能看到亨廷顿蛋白，这将为我们提供一些重要的线索。
为什么我们想要知道亨廷蛋白的样子？
试图弄清楚亨廷蛋白的样子有两个主要原因。
首先，如果我们知道亨廷蛋白的结构，这很可能会让我们了解正常亨廷蛋白是如何工作的，以及在亨廷顿病中是如何出现问题的。这些信息可以用来指导未来的研究并加快发现过程。
其次，如果我们有关于亨廷顿蛋白结构的非常详细的信息，就有可能设计出针对有毒“突变”亨廷顿蛋白的药物。
为什么这么难？
蛋白质太小了，无法用直接的方法观察。如果您将一个亨廷蛋白分子放大到容易看见的大小，比如西瓜大小，那就相当于将西瓜放大到与美国一样宽。即使是现有的最好的光学显微镜也远远不够强大，无法看到单个亨廷蛋白分子。
“看来亨廷顿蛋白是灵活的——它喜欢晃动并呈现不同的形状”
这就是电子的用武之地。电子是几乎难以想象的小粒子，它们在原子边缘轨道上运行——而且可以用于显微镜。当光线几乎察觉不到单个蛋白质就从其周围经过时，电子会感受到来自蛋白质的强大推力，这最终可以被检测到并用来生成图像。因此，对于由哈佛医学院的Ihn Sik Seong领导的国际研究团队来说，电子显微镜是观察亨廷蛋白结构的首选仪器。
首先，他们通过基因工程使昆虫细胞产生人类亨廷蛋白。然后，他们能够提取亨廷蛋白，将其从昆虫细胞中的其他蛋白质中分离出来。随后将亨廷蛋白放在小金属网格上，放入电子显微镜中。他们使用电子显微镜拍摄网格的照片，得到了含有小白色物体的模糊图像：这是他们第一次看到单个亨廷蛋白分子。
亨廷蛋白喜欢瑜伽？
到目前为止一切顺利，但研究人员面临另一个问题。如果您将单个亨廷蛋白分子的图片并排放置，它们看起来都会略有不同。换句话说，似乎亨廷蛋白是灵活的——它喜欢摆动并采取不同的形状。
为了改善他们对亨廷顿蛋白的观察，他们转向了大多数电子显微镜学家使用的一种称为“平均”的技术。他们使用计算机将大约 10,000 张单个亨廷顿蛋白分子的图像组合在一起，以突出所有分子最常见的特征。这让他们对“平均”亨廷顿蛋白的样子有了更好的了解。这类似于叠加许多人脸的照片——你会失去他们个人表情的细节，但会保留真正重要的特征，例如每个人都有两只眼睛、两只耳朵和一张嘴。
他们的最终 3D 结构表明，亨廷顿蛋白可能由两个“臂”组成，这两个“臂”通过一个“铰链”连接在一起，该铰链允许臂弯曲并相互接触，从而产生一个整体上类似于球体的结构。当研究人员比较正常和突变亨廷顿蛋白的结构时，他们发现形状上存在细微差异，这表明 HD 突变以一种微妙的方式影响亨廷顿蛋白的结构。
在另一个实验中，研究人员使用化学物质随机连接亨廷蛋白中彼此靠近的区域。通过寻找化学连接，他们可以判断蛋白质的哪些区域可能彼此相邻。他们发现，当增加亨廷蛋白尾部的谷氨酰胺数量时，亨廷蛋白两个臂的弯曲发生了变化。带有谷氨酰胺的臂卷曲减少，而另一个臂卷曲增加。这究竟意味着什么目前还不清楚，但它确实表明蛋白质一部分的小变化可能会影响整个蛋白质——这是一个潜在的重要发现，可能有助于解释谷氨酰胺延长的亨廷蛋白在亨廷顿病中是如何改变的。
局限性和下一步
亨廷蛋白证实非常难以处理，所以研究人员不得不使用化学物质来稳定它，并使用另一种化学物质使其在显微镜下更容易观察。这些化学物质可能略微改变了亨廷蛋白的结构，并影响了他们对它的解释。克服这一问题的一种方法是将蛋白质包埋在冰中，从而消除对这些其他化学物质的需求，未来的实验可能会解决这些问题。
同样值得记住的是，这个实验中的亨廷蛋白是经过纯化并放在试管中的，所以在人类大脑中，亨廷蛋白可能形成的形状范围更大，因为它在那里与其他蛋白质相互作用。
下一步是什么？
这项研究让我们得以一窥亨廷蛋白的真面目，但还有很多工作要做。Seong及其同事获得的结构肯定还不够详细，无法用于设计针对亨廷顿病的药物。然而，现代电子显微镜在捕捉蛋白质结构方面正在变得越来越好，未来的研究将致力于实现这一目标。详细了解亨廷蛋白的结构对于理解亨廷顿病中出现的问题可能至关重要。现在研究人员开始揭开亨廷蛋白的神秘面纱。
