Annual Reviews

The lipid bilayer component of biological membranes is important for the distribution, organization, and function of bilayer-spanning proteins. This regulation is due to both specific lipid-protein interactions and general bilayer-protein interactions, which modulate the energetics and kinetics of protein conformational transitions, as well as the protein distribution between different membrane compartments. The bilayer regulation of membrane protein function arises from the hydrophobic coupling between the protein's hydrophobic domains and the bilayer hydrophobic core, which causes protein conformational changes that involve the protein/bilayer boundary to perturb the adjacent bilayer. Such bilayer perturbations, or deformations, incur an energetic cost, which for a given conformational change varies as a function of the bilayer material properties (bilayer thickness, intrinsic lipid curvature, and the elastic compression and bending moduli). Protein function therefore is regulated by changes in bilayer material properties, which determine the free-energy changes caused by the protein-induced bilayer deformation. The lipid bilayer thus becomes an allosteric regulator of membrane function.

Việc cắt ghép là bước thiết yếu trong quá trình biểu hiện gen, trong đó các intron được loại bỏ khỏi pre-mRNA để tạo ra mRNA trưởng thành có thể được ribosome dịch mã. Phản ứng này được xúc tác bởi một phức hợp RNP đại phân tử lớn và động được gọi là spliceosome. Spliceosome được hình thành qua sự kết hợp theo từng bước của năm snRNP bao gồm snRNA U1, U2, U4, U5 và U6 cùng với hơn 150 protein gắn kết tuần tự với pre-mRNA. Để nghiên cứu cấu trúc của cỗ máy RNP đặc biệt động này, trải qua nhiều thay đổi về thành phần và hình dạng, kính hiển vi điện tử đông lạnh (cryo-EM) hiện nay là phương pháp ưu tiên. Trong bài viết đánh giá này, chúng tôi trình bày kết quả từ các nghiên cứu cryo-EM cùng với một số quan điểm mới về cấu trúc và chức năng của quá trình cắt ghép, đồng thời chỉ ra những triển vọng và giới hạn của kỹ thuật cryo-EM trong việc thu thập thông tin cấu trúc về các phức hợp đại phân tử, chẳng hạn như spliceosome, tham gia vào quá trình cắt ghép.

Cấu trúc tia X của lactose permease của Escherichia coli (LacY) ở dạng đối diện bên trong đã được giải mã. LacY có các miền đầu N và đầu C, mỗi miền có sáu cuộn xoắn xuyên màng, được bố trí đối xứng giả. Ligand được liên kết tại đỉnh của một khoang ưa nước ở gần giữa phân tử. Các dư lượng tham gia vào việc liên kết chất nền và sự chuyển giao H⁺ được căn chỉnh song song với màng ở cùng một mức độ và có thể tiếp xúc với một khoang chứa đầy nước ở cả hai dạng đối diện bên trong và bên ngoài, cho phép cả đường và H⁺ được giải phóng trực tiếp vào bất kỳ khoang nào. Những đặc điểm cấu trúc này có thể giải thích lý do tại sao LacY xúc tác quá trình đồng vận chuyển galactoside/H⁺ theo cả hai hướng sử dụng cùng một dư lượng. Một mô hình hoạt động cho cơ chế này được trình bày, liên quan đến việc truy cập luân phiên của cả hai vị trí liên kết đường và H⁺ đến hai bên của màng.

Các mạch tổng hợp hứa hẹn mang lại những hiểu biết sâu sắc về các nguyên tắc thiết kế cơ bản trong tự nhiên hoặc tiến hành kỹ thuật sinh học mới. Tuy nhiên, việc xây dựng các mạch này không phải là điều đơn giản. Các mạch tổng hợp thường bao gồm các thành phần được tối ưu hóa để hoạt động trong bối cảnh tự nhiên của chúng, không phải trong bối cảnh của mạch tổng hợp. Việc kết hợp mô hình toán học với tiến hóa hướng đích cung cấp một phương pháp đầy hứa hẹn để giải quyết vấn đề này. Mô hình hóa giúp xác định các mục tiêu đột biến và hạn chế không gian tìm kiếm tiến hóa cho sự tiến hóa hướng đích, mà không cần thông tin sinh lý học chi tiết. Bài đánh giá này xem xét các chiến lược để tích hợp mô hình hóa và tiến hóa hướng đích, đồng thời thảo luận về tính hữu ích và những hạn chế của các phương pháp hiện có.

▪ Tóm tắt Các chất nền cho các quá trình sinh học thiết yếu như phiên mã, nhân đôi, tái tổ hợp, sửa chữa DNA, và phân bào không phải là DNA trần; thay vào đó, chúng là các phức hợp protein-DNA được gọi là chromatin, ở một hoặc một số giai đoạn trong chuỗi phân nhóm phức tạp. Đây là những thời gian thú vị cho các nhà nghiên cứu về chromatin. Những nghiên cứu mới đây cung cấp bằng chứng không thể chối cãi liên kết giữa cấu trúc chromatin với chức năng. Tiến bộ vượt bậc đã được thực hiện trong các nghiên cứu về cấu trúc của các đơn vị chromatin. Những tính chất động lực học mới bất ngờ đã được phát hiện. Và, nhiều tiến bộ đã được thực hiện trong việc phân tích các vai trò chức năng của các protein và miền chromatin cụ thể. Bài tổng quan này tập trung vào các nghiên cứu in vitro về cấu trúc, động lực học và chức năng của chromatin.

▪ Tóm tắt  Các phương pháp sinh hóa và di truyền đã xác định được các cơ chế phân tử của nhiều phản ứng di truyền, đặc biệt là ở vi khuẩn. Hiện nay, cần có một sự hiểu biết chi tiết tương đương về cách các nhóm gene và các phản ứng protein liên quan tương tác để tổ chức các chức năng tế bào suốt chu kỳ tế bào, để thực hiện sự phát triển tế bào đã được lập trình sẵn, hoặc để thay đổi linh hoạt các quy trình và cấu trúc của tế bào theo phản ứng với các tín hiệu môi trường. Các mô phỏng sử dụng các mô hình phân tử thực tế về các cơ chế di truyền và các mạng truyền tín hiệu là cần thiết để phân tích hành vi động của các hệ thống đa gene, để dự đoán hành vi của các mạch đột biến, và để xác định các nguyên tắc thiết kế có thể áp dụng cho việc thiết kế các mạch điều hòa di truyền. Khi các quy tắc thiết kế cơ bản cho các mạch điều hòa được hiểu rõ, sẽ dễ dàng hơn nhiều để nhận ra các mô thức mạch chung, xác định các chức năng của các protein riêng lẻ trong việc điều hòa, và thiết kế lại các mạch cho các chức năng được thay đổi.

▪ Tóm tắt  Phần lớn các protein hòa tan và gắn màng trong những tế bào hiện đại là các phức hợp oligomer đối xứng với hai hoặc nhiều đơn vị con. Sự lựa chọn tiến hóa của các phức hợp oligomer đối xứng được thúc đẩy bởi các nhu cầu chức năng, di truyền và lý hóa. Các protein lớn được chọn cho các chức năng hình thái cụ thể, chẳng hạn như hình thành vòng, container và sợi, cũng như cho các chức năng hợp tác như điều hòa allosteric và gắn kết đa giá. Các protein lớn cũng ổn định hơn trước sự biến tính và có diện tích bề mặt tiếp xúc với dung môi giảm so với nhiều protein nhỏ lẻ. Các protein lớn được cấu trúc dưới dạng oligomer vì lý do kiểm soát lỗi trong tổng hợp, hiệu suất mã hóa và điều hòa quá trình lắp ghép. Các oligomer đối xứng được ưu tiên vì tính ổn định và khả năng kiểm soát quá trình lắp ghép hữu hạn. Một số chức năng giới hạn tính đối xứng, chẳng hạn như tương tác với DNA hoặc màng, và chuyển động theo hướng. Tính đối xứng bị phá vỡ hoặc được điều chỉnh trong nhiều hình thức: đối xứng gần đúng, trong đó các đơn vị con đồng nhất nhận các cấu hình giống nhưng khác nhau; đa hình, nơi các đơn vị con đồng nhất tạo thành các phức hợp khác nhau; đối xứng giả, nơi các phân tử khác nhau tạo thành các phức hợp gần như đối xứng; và sai lệch đối xứng, nơi các oligomer có đối xứng khác nhau tương tác dọc theo các trục đối xứng tương ứng của chúng. Sự bất đối xứng cũng được quan sát ở nhiều mức độ. Hầu hết các phức hợp cho thấy sự bất đối xứng cục bộ ở mức độ cấu hình chuỗi bên. Một số phức hợp có cơ chế phản hồi trong đó phức hợp không đối xứng, nhưng theo thời gian, tất cả các đơn vị con thực hiện chu trình qua cùng một tập hợp các cấu hình. Sự bất đối xứng toàn cầu chỉ hiếm khi được quan sát. Sự tiến hóa của các phức hợp oligomer có thể ủng hộ sự hình thành dimers hơn là các phức hợp có đối xứng chu kỳ cao hơn, thông qua một cơ chế của các cặp dư lượng tương tác được định vị sẵn. Tuy nhiên, đã có những ví dụ được tìm thấy cho tất cả các nhóm điểm tinh thể, cho thấy rằng nhu cầu chức năng có thể thúc đẩy sự tiến hóa của bất kỳ loại đối xứng nào.

Nước là yếu tố thiết yếu cho sự sống theo nhiều cách, và nếu không có nó, các phân tử sinh học có thể không còn thực sự là các phân tử sinh học. Đặc biệt, nước đóng vai trò quan trọng đối với cấu trúc, tính ổn định, động lực học và chức năng của các đại phân tử sinh học. Trong quá trình gập protein, nước trung gian hóa việc co rút chuỗi và tìm kiếm hình thái tự nhiên thông qua một cảnh quan năng lượng hình phễu. Nước tham gia tích cực vào việc nhận diện phân tử bằng cách trung gian hóa các tương tác giữa các đối tác liên kết và góp phần vào việc ổn định nhiệt hay entropic. Do đó, nước phải được đưa vào các mã nhận diện và dự đoán cấu trúc để nắm bắt tính đặc hiệu. Vì vậy, nước không nên được coi như một môi trường trơ, mà thực sự là một thành phần tích cực và không thể tách rời của các hệ thống phân tử sinh học, nơi nó có cả vai trò động học và cấu trúc. Việc tập trung vào nước làm sáng tỏ vật lý và chức năng của các máy móc sinh học và quá trình tự lắp ghép, đồng thời có thể nâng cao sự hiểu biết của chúng ta về thiết kế tự nhiên của protein và axit nucleic.

▪ Abstract  Cytochrome c oxidase, the terminal enzyme of the respiratory chains of mitochondria and aerobic bacteria, catalyzes electron transfer from cytochrome c to molecular oxygen, reducing the latter to water. Electron transfer is coupled to proton translocation across the membrane, resulting in a proton and charge gradient that is then employed by the F₀F₁-ATPase to synthesize ATP.

Over the last years, substantial progress has been made in our understanding of the structure and function of this enzyme. Spectroscopic techniques such as EPR, absorbance and resonance Raman spectroscopy, in combination with site-directed mutagenesis work, have been successfully applied to elucidate the nature of the cofactors and their ligands, to identify key residues involved in proton transfer, and to gain insight into the catalytic cycle and the structures of its intermediates. Recently, the crystal structures of a bacterial and a mitochondrial cytochrome c oxidase have been determined. In this review, we provide an overview of the crystal structures, summarize recent spectroscopic work, and combine structural and spectroscopic data in discussing mechanistic aspects of the enzyme. For the latter, we focus on the structure of the oxygen intermediates, proton-transfer pathways, and the much-debated issue of how electron transfer in the enzyme might be coupled to proton translocation.