研究人员用 Claude 探索神秘细胞结构 vault 颗粒

用 Claude 研究穹窿体颗粒

01原核生物中的类穹窿体结构 02用 Claude 发现、分离并绘制新型穹窿体 03一种新的科研方式 04与我们合作 已发表 生物细胞最早于 1665 年被发现，但三个半世纪之后，细胞的许多运作机制仍然未知。直到较近的年代，一些关键成分是否存在仍有争议，更不用说它们的功能了。即便在今天，研究得最透彻的细胞之一——大肠杆菌（E. coli）——约 4,400 个基因中仍有超过三分之一的功能不甚清楚。穹窿体颗粒（vault particle）便是另一个这样的谜团。 穹窿体颗粒是一种大型中空蛋白质外壳，几乎存在于人体所有细胞中。它由 Leonard Rome 和 Nancy Kedersha 于 1986 年发现，但其功能至今仍不清楚。它的质量约为核糖体的三倍，是真核生物（具有复杂细胞的生物，如哺乳动物，与之相对的是通常单细胞的“原核生物”，如细菌）中已知最大的分子复合物之一。穹窿体因其形状而得名：在电子显微镜下，其带条纹的外壳让 Rome 博士和 Kedersha 博士联想到大教堂的拱顶。在哺乳动物中，该外壳由 78 个主要穹窿体蛋白拷贝组成，排列成两个相同的半部，在中部连接。 穹窿体存在于从黏菌到人类的绝大多数真核生物谱系中，因此科学家相信它们一定有其用处。研究人员提出了多种功能假说，包括在细胞核与细胞质之间运输分子、保护细胞免受抗癌药物等有毒化合物的侵害，以及支持先天免疫，但这些假说均未得到确凿证实。其他研究表明，缺少穹窿体的小鼠仍能存活，这提示穹窿体可能只在特定环境条件下才必需。然而问题依然存在：如果穹窿体没有重要功能，进化为何会保留如此巨大的结构？ 我们的生物学研究团队对 Claude 能否帮助推进这一长期悬而未决的问题很感兴趣，因此一直在研究穹窿体。我们尚未确定其生物学功能，但确实发现，生命树中还有多得多的穹窿体蛋白——包括原核生物以及感染它们的噬菌体中的蛋白——能够组装成完整的类穹窿体颗粒。此前已在原核生物和噬菌体的基因组中发现过相关蛋白，但据我们所知，尚无人证明它们能组装成穹窿体。 原核细胞中的穹窿体为研究人员提供了一个更简单的系统。与哺乳动物细胞相比，细菌生长迅速，因此更容易研究穹窿体的起源、基本结构以及它们（如果有的话）包含什么。研究人类蛋白的细菌近亲此前已有收获：cGAS–STING 信号通路、gasdermin 和 viperin 的细菌版本揭示了这些人类免疫防御机制的微生物起源。在那些案例中，它们在人类中的功能已经已知；而穹窿体并非如此，其原核近亲或许有助于揭示其功能。 本文将介绍我们如何揭示了一种来自噬菌体的穹窿体的分子结构。噬菌体是感染细菌的病毒。与所有病毒一样，它们劫持宿主细胞来制造自身蛋白，因此这种穹窿体是在细菌——一种原核细胞——内部构建的。该穹窿体由 96 个单一蛋白拷贝组成，而人类穹窿体为 78 个。通过复制该蛋白的一部分，我们工程化改造出了更大的穹窿体。这些结果共同揭示了此类复合物如何组装，并提示了它们如何可被改造用于生物技术——例如作为递送酶的纳米胶囊。 这项工作也体现了我们团队更广泛的目标：将 Claude 嵌入科研流程的每一步，以加速基础生物学研究。在我们的指导下，Claude 检索了蛋白质数据库、设计了 DNA 构建体、优化了分离方法并处理了显微镜数据。结果，传统上需要三天的穹窿体纯化我们用了约 90 分钟，34 小时后首个结构模型即已就绪——我们估计这通常需要数周。 尽管取得了这些进展，关于这些令人困惑的结构仍有许多待解之处。当我们把结构分享给受邀为这项研究提供建议的 Rome 博士时，他说： 我们利用冷冻电子显微镜（cryo-EM）揭示了该穹窿体结构：将大量颗粒拷贝快速冷冻，用电子束成像，再合并为单一三维模型。该穹窿体由 96 个拷贝（每个半部 48 个）的单一噬菌体蛋白组成，我们将其命名为 L05，总质量约 9.5 兆道尔顿。相比之下，哺乳动物版本每个半部有 39 个拷贝。噬菌体来源的穹窿体也更短更宽：长约 54 纳米、宽约 45 纳米，而哺乳动物为 67 × 40 纳米。尽管更短，由于其更接近球形，它包围的体积反而多约 25%。构成其壁的蛋白链由七个首尾相连的重复片段堆叠而成，而非哺乳动物穹窿体中的九个，且其端帽更平坦。它是原核生物中已鉴定的最大蛋白质外壳之一。 其结构的一个显著特征是端帽如何闭合。一圈 48 个拷贝的壁必须向极点收窄，而它分三步收窄，如同层叠的穹顶。在每三个相邻拷贝为一组的组合中，一个终止于第一层，一个终止于第二层，一个延伸至顶端。这三个拷贝沿壁完全相同，但在端帽中呈现不同的形状（构象）。

（原文较长，此处译出前 6000 字，完整内容请点「打开原文」。）