新闻中心

2021年5月31日

中大利用冷凍電子顯微鏡技術揭開小分子熱休克蛋白的奧秘 為植物基因工程開啟新方向

2021年5月31日
分享
列印

(左起)劉振宇教授、研究助理梁敬邦及博士生虞傳洋,與姜里文教授共同合作,首次利用先進的單粒子冷凍電子顯微鏡技術,揭示植物對抗熱休克反應的蛋白運作機制。

Hsp21與DXPS組成複合物,防止DXPS在熱壓力下聚集。

在單粒子冷凍電子顯微鏡下的Hsp21-DXPS複合物。

香港中文大學(中大)生命科學學院的研究團隊,近日揭示了植物對抗熱休克反應的蛋白運作機制,並首次利用先進的單粒子冷凍電子顯微鏡(cryo-EM)技術窺探其結構。在全球氣候變化的大環境下,此項發現可為提高農作物耐熱性和產量提供啟示。研究結果已刊登於著名科學期刊自然通訊

全球每年超過一半的失收農作物,都是因為受到乾旱、土壤鹽鹼度和極端溫度等環境壓力所影響。目前,科學界普遍認為氣候變化和全球變暖將嚴重影響未來的農業和糧食生產。全面了解植物如何適應環境壓力,對改良農作物的遺傳基因,提供可持續農業發展和糧食供應以應對世界人口持續增長,至為重要。

溫度上升是影響植物新陳代謝及許多生理過程的主要壓力因素之一。換言之,植物在太熱環境下會無法正常生長、甚至死亡。在正常環境下,負責植物細胞內生命活動的蛋白會「摺疊」成特定的形狀,以發揮及表達其功能;但當溫度上升,植物受到壓力,這些蛋白質便會開始「聚集」,失去正常的「摺疊」形狀。為了生存,植物會不斷進化去適應環境,例如建立出對抗熱休克反應等多種防禦機制,阻止蛋白質的聚集。

小分子熱休克蛋白是一種在進化層面高度保守的分子伴侶。它廣泛存在於不同種類的動植物中,物種之間的差異較少。分子伴侶,是一種會與其他蛋白結合的分子,以協助對方達至功能奬態。小分子熱休克蛋白主要的作用是防止其他蛋白在壓力下不可逆轉地聚集或失去正常「摺疊」形狀,幫助該蛋白正常發揮其功能,因此亦被稱為「管家」蛋白。有研究已證實透過基因轉錄生產的小分子熱休克蛋白,可以提高植物的耐熱性。 

解析小分子熱休克蛋白Hsp21 與其天然底物所形成的復合物結構

為了加深對小分子熱休克蛋白的了解,以便在植物生物技術中廣泛應用,中大生物科學學院助理教授劉振宇教授帶領的研究團隊使用結構生物學的方式,研究小分子熱休克蛋白Hsp21的分子機制。Hsp21存在於任何會進行光合作用的植物中,主要用途是保護植物免受熱壓力。

團隊首先選擇一種稱為DXPS的酶作為「伴侶」蛋白的研究對象,它會與Hsp21結合並相互作用。由於兩者結合後的Hsp21-DXPS複合物,其表達具有短暫性和異質性,導致傳統的X射線晶體學結構分析一直無法得知其結構。團隊於是採用革命性的單粒子冷凍電子顯微鏡和先進的圖像計算處理算法,以極高的分辨率窺探Hsp21、DXPS和(Hsp21-DXPS複合物)的三維結構。

劉教授表示: 「通過分析Hsp21-DXPS的結構,我們揭示了小分子熱休克蛋白的運作機制,並推斷植物中其他蛋白在對抗熱壓力時,有著同一套的防禦系統。科學家一直研究透過基因改造農作物以增強它們的抗熱能力,解決全球暖化下的糧食危機。今次研究結果則能這方面工作帶來重要科學基礎和參考價值。」

這項研究由劉振宇教授的博士生虞傳洋、研究助理梁敬邦合作,並與中大生命科學學院姜里文教授共同合作進行。

劉振宇教授簡介 

劉振宇教授是單粒子冷凍電子顯微鏡領域的專家,在膜蛋白和大分子組裝方面的研究有重要貢獻。劉教授在加拿大多倫多大學取得博士學位,主修結構生物,其後到美國貝勒醫學院及香港大學進行博士後研究工作,並獲得著名的AXA研究基金支持。劉教授曾於《自然》和《美國國家科學院院刊》刊登多篇論文,並獲得F1000Prime殊榮,足證其研究項目獲得國際認可。



(左起)劉振宇教授、研究助理梁敬邦及博士生虞傳洋,與姜里文教授共同合作,首次利用先進的單粒子冷凍電子顯微鏡技術,揭示植物對抗熱休克反應的蛋白運作機制。

(左起)劉振宇教授、研究助理梁敬邦及博士生虞傳洋,與姜里文教授共同合作,首次利用先進的單粒子冷凍電子顯微鏡技術,揭示植物對抗熱休克反應的蛋白運作機制。

 

Hsp21與DXPS組成複合物,防止DXPS在熱壓力下聚集。

Hsp21與DXPS組成複合物,防止DXPS在熱壓力下聚集。

 

在單粒子冷凍電子顯微鏡下的Hsp21-DXPS複合物。

在單粒子冷凍電子顯微鏡下的Hsp21-DXPS複合物。

 

下载所有相片