近日，南方科技大学生命科学学院沈庆涛课题组针对生物大分子组装柔性的难题，基于冷冻电镜单颗粒技术，开发了直接赋值颗粒欧拉角（Euler angle–assigned reconstruction，EAAR）的重构方法，首次解析了真核细胞中转运必需内吞体分选复合物-III (Endosomal Sorting Complexes Required for Transport-III，ESCRT-III)平面螺旋多聚体结构。该研究成果以“Three-dimensional architecture of ESCRT-III flat spirals on the membrane”为题，发表在国际学术期刊 PNAS 上。

ESCRT是一类进化保守的生物大分子机器，广泛存在于古菌、细菌和真核生物中，负责真核细胞中所有背离细胞质方向的膜重塑过程，如细胞分裂、细胞核膜重塑、质膜损伤修复和神经元修剪等。ESCRT的功能紊乱会导致癌症与神经退行性疾病等的发生。

图1 ESCRT-III形成平面螺旋多聚体

ESCRT分子机器由ALIX、ESCRT-I、ESCRT-II、ESCRT-III和Vps4五个亚复合物组成，其中，ESCRT-III负责膜重塑中最重要的膜形变和膜分裂过程。课题组在2014年率先利用冷冻电镜观测到ESCRT-III的平面螺旋多聚体形式 （Journal of Cell Biology，2014，cover story）（图 1）。然而，ESCRT-III平面螺旋多聚体具有直径细、高度卷曲、严重优势取向等特点，给其三维结构解析带来巨大挑战，严重制约了对ESCRT-III介导的膜重塑机制的理解。

基于中央截面定理，三维重构的关键步骤在于计算每个颗粒精准的欧拉角（ϕ，θ，ψ）；目前，欧拉角是通过颗粒与模板的匹配获取的，极易陷入局部最优值陷阱，造成重构错误。在本研究中，课题组收集了擎转后的样品数据，开发了描绘ESCRT-III平面螺旋多聚体的图形软件，充分利用相邻颗粒之间的几何约束，通过数学计算求取颗粒初始欧拉角，开发了直接赋值颗粒欧拉角的重构方法EAAR，成功解析了ESCRT-III不同构象的三维结构，第一次勾勒出ESCRT-III在膜上的组装形式和组装机制（图2）。

图 2 ESCRT-III平面螺旋多聚体的原子模型

该工作为研究ESCRT-III多聚体由平面螺旋向圆顶结构转变提供了初始构象，为研究ESCRT-III介导的膜重塑提供了新方向。研究中所提出的EAAR的重构方法，有效规避了冷冻电镜单颗粒重构中的局部最优解问题，也为解析脂质体和细胞器等膜系统上受几何限制、具有严重优势取向的大分子复合物的结构提供了新的策略。

南方科技大学生命科学学院博士后刘明栋为该论文的第一作者，沈庆涛副教授为通讯作者，南方科技大学为第一单位。山东大学教授张玉忠团队、浙江大学教授王勇团队参与了该研究。研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助。

论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2319115121

供稿：生命科学学院

通讯员：付文卿

主图：丘妍

编辑：曾昱雯