J Mol Biol｜在计算机上构建完整的细胞3D模型

构建整个细胞的结构模型一直是学术界面临的一个长期存在的跨学科挑战，因为这需要多种来源的生物数据之间前所未有的集成和增强的计算建模和可视化方法。最近，科学家们展示了第一个用计算工具构建的完整的生殖支原体(MG)细胞的3D结构模型。这个模型概括了最近全细胞系统生物学模拟中描述的数据，并提供了所有MG蛋白、DNA和RNA分子的结构展示，这些数据来源于实验和同源建模的结构，以及基于晶格的基因组模型等。

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全细胞( Whole-Cell，WC )建模是" 21世纪的重大挑战"，对生命科学、生物工程和医学的变革具有巨大的前景。实验和计算结构生物学的巨大进步，致我们对细胞和细胞组分的结构理解呈指数级增长。高分辨率成像和冷冻电镜技术提供了大型蛋白质复合物原子结构的实验途径。数据可访问性和计算资源的进步为整个细胞的结构研究打开了大门，建立整个细胞的结构模型的可能性似乎已经触手可及。

由于细胞环境的复杂性，要实现三维全细胞(3D Whole- Cell，3D-WC)模型捕捉细胞中所有大分子和膜的结构、位置、取向和相互作用的快照，仍然存在许多挑战。构建整个细胞的分子模型的能力依赖于从原子到细胞水平对生物微观层面的充分理解。细胞是异质性的拥挤环境，充满了不同大小和形状的成分，具有可变的浓度和相互作用的模式，组装和整理必要的数据仍然是构建细胞环境3D模型的主要挑战，主要分为：(1)目前对于细胞中分子结构理解的数据仍然存在大量的空白；（2）如何整合分散的海量数据。

对于任何生物体来说，具有基因组尺度覆盖的高质量的3D蛋白结构仍然是稀缺的。计算结构预测可以填补这一空白，而且在许多情况下，效果很好。最近来自深度学习方法AlphaFold2和RoseTTAFold的成功尤其令人鼓舞。而且随着Uniprot数据库和PDB数据库的收录的序列和结构数据的不断完善，为整合海量的数据提供了基础。

图1. 一个完整的MG细胞所需要数据资源

本研究中，研究人员选取了支原体属中具有最小基因组的生殖支原体(MG)细胞作为建模对象，MG的全细胞模型（WC-MG）代表了所有注释基因产物在28个亚细胞过程中的功能，如代谢、DNA复制、转录和翻译。这使得模型能够捕获MG整个生命周期中的多种表型，例如单个细胞生长的变化和大多数基因的重要性。WC-MG模型整合了900多个出版物所公布的1900多个实验证实的数据。研究者通过整合实验数据和预测模型，通过数据矫正以及模型可视化工具为我们呈现了一个特定时间点的整个细胞三维模型。本研究是基于CellPACK工具进行整合组装，CellPACK是一个生物软件工具，旨在从分子构建块组装大规模模型。CellPACK将结构生物学和系统生物学数据与打包算法集成以组装分子细节中细胞规模结构的全面3D模型。

本研究使用LatticeNucleoid工具构建拟核结构；用Mesoscope在线工具创建构建细胞所需清单；使用LipidWrapper算法构建细胞膜；使用NVIDIA Flex库来优化组装和相互作用。使用粗粒度表征每种组分，在优化过程中，每中组分被视为一个刚性对象，然后通过将成分的原始原子模型叠加到这个粗粒度模型上生成原子模型。图2展示了本研究所有参与细胞构建的组分信息。据悉，在选择构建细胞所需同源蛋白结构就耗费了论文作者8个月的时间。

图2. 完整细胞3D-WC-MG模型构建所需成分清单

利用CellPACKgpu对生殖支原体3D全细胞模型进行可视化。两个裁剪平面逐步隐藏模型的部分。上部分突出核糖体(品红)，DNA (黄色)和mRNA (粉红色)；中心部分展示了可溶性大分子(橙色为DNA结合蛋白,蓝色为细胞质蛋白,亮粉红色为tRNA；下半部分显示细胞膜(灰色/绿色)和相关膜蛋白(绿色的色调)。

图3.可视化3D-WC-MG模型

借助于全细胞模型，可以观测细胞在不同细胞周期时的结构特征，如图4展示了支原体细胞在染色质复制、基因表达和蛋白表达的三个时期的结构特点。如染色质勘探阶段，展示了模拟过程中探索的染色质结构性质：RNA聚合酶探索的区域在基因组模型上突出显示，并进行着色，显示了在选定时间点上的渐进染色体探索，基于基因表达水平的着色突出了特定时间点上高表达的基因。

图4. 3D-WC-MG模型在三个时间点的结构可视化

这项研究是对整个细菌细胞的大分子结构进行微观模拟的理论模型证明。据我们所知，这是第一个完整的细胞在大分子细节的结构模型，这份研究目的是作为一个例子来展示如何利用目前的知识和当前的技术构建一个完整的细胞结构模型。

参考文献

Maritan M, Autin L, Karr J, et al. Building structural models of a whole mycoplasma cell[J]. Journal of molecular biology, 2022, 434(2): 167351.

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