冷凍電鏡技術(shù)在結(jié)構(gòu)生物學(xué)中的研究現(xiàn)狀及展望獲獎(jiǎng)科研報(bào)告

冷凍電鏡技術(shù)在結(jié)構(gòu)生物學(xué)中的研究現(xiàn)狀及展望獲獎(jiǎng)科研報(bào)告關(guān)鍵詞：冷凍電鏡;結(jié)構(gòu)生物學(xué)

00TG115.21+5.3;Q518.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

AbstractCryo-electronmicroscopytechnologyhasmaderapiddevelopmentinrecentyears，andmanygroundbreakingresultshasachieved.Cryo-electronmicroscopycanfreezebiomoleculesforhigh-resolutionimaging.Italsohastheadvantagesofhighresolution，closertothenaturalstate，andawiderangeofresearchobjects.Atthesametime，theapplicationofcryo-electronmicroscopytechnologyinscientificresearchissystematicallyreviewedandthefuturedevelopmentisprospected.

KeywordsCryo-electronmicroscopy;structuralbiology

冷凍電鏡（cryo-electronmicroscopy，cryo-EM）技術(shù)，是在低溫下使用透射電子顯微鏡觀察樣品的顯微技術(shù)，即把樣品冷凍并保持低溫放進(jìn)顯微鏡里面，用高度相干的電子作為光源從上面照射，透過(guò)樣品和附近的冰層，受到散射，再利用探測(cè)器和透鏡系統(tǒng)把散射信號(hào)成像記錄下來(lái)，最后進(jìn)行信號(hào)處理，得到樣品的結(jié)構(gòu)[1]。冷凍電鏡技術(shù)作為一種重要的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究方法，它與X射線晶體學(xué)、核磁共振一起構(gòu)成了結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究的基礎(chǔ)。[1]

1冷凍電鏡技術(shù)的基本原理

1.1電鏡三維重構(gòu)理論

D.DeRosier和A.Klug提出三維重構(gòu)理論是借助一系列沿不同方向投影的電子顯微像來(lái)重構(gòu)被測(cè)物體的立體構(gòu)型，利用計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理技術(shù)進(jìn)行電子顯微像三維重構(gòu)測(cè)定生物大分子結(jié)構(gòu)的概念和方法[2]。

透射電子顯微鏡成像過(guò)程中，電子束穿透樣品，將樣品的三維電勢(shì)密度分布函數(shù)沿著電子束的傳播方向投影至與傳播方向垂直的二維平面上。運(yùn)用中心截面定理，從而可以通過(guò)三維物體不同角度的二維投影在計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行三維重構(gòu)來(lái)解析獲得物體的三維結(jié)構(gòu)。

1.2三維冷凍電鏡技術(shù)

樣品經(jīng)過(guò)在液氮中的冷凍固定，使得生物大分子中的H2O分子以玻璃態(tài)的形式存在，保持低溫，將樣品放入顯微鏡，高度相干的電子作為光源從上面照射下來(lái)，透過(guò)樣品和附近的冰層，受到散射，利用探測(cè)器和透鏡系統(tǒng)把散射的信號(hào)成像記錄下來(lái)，再進(jìn)行信號(hào)處理，最后利用三維重構(gòu)的技術(shù)得到樣品的三維結(jié)構(gòu)。

2冷凍電鏡技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)

2.1分辨率高

光學(xué)顯微鏡的分辨率為0.2μm，透射電子顯微鏡的分辨率為0.2nm，透射電子顯微鏡在光學(xué)顯微鏡的基礎(chǔ)上放大了1000倍。

2.2更接近天然狀態(tài)

電子斷層成像技術(shù)則可用來(lái)研究一定厚度的亞細(xì)胞器在天然狀態(tài)下的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不需要蛋白質(zhì)結(jié)晶[3]。

2.3適用研究對(duì)象廣泛

冷凍電鏡單粒子法既可以對(duì)具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)的大分子進(jìn)行研究，也適合于研究結(jié)構(gòu)不規(guī)則的大分子復(fù)合物，對(duì)于分子量的上限沒(méi)有限制，理論上>100kD的分子在成像技術(shù)能夠保證的情況下可以形成足夠的對(duì)比以進(jìn)行圖像校正。

3冷凍電鏡技術(shù)在結(jié)構(gòu)生物學(xué)中的應(yīng)用

冷凍電鏡技術(shù)主要應(yīng)用在單個(gè)蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的分析方面。此外，冷凍電子顯微鏡技術(shù)還將廣泛應(yīng)用于細(xì)胞組織的超微結(jié)構(gòu)解析，對(duì)解開生命活動(dòng)的規(guī)律和機(jī)制等奧秘會(huì)產(chǎn)生更大影響。清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院王宏偉團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了利用冷凍電鏡單顆粒分析技術(shù)解析至近原子分辨率的分子量最小的生物大分子的記錄[4]。施一公研究組解析了γ-secretase蛋白質(zhì)和RyR-1蛋白質(zhì)[5]。楊茂君研究組解析了Mammalianrespirasome蛋白質(zhì)[6]。隨著越來(lái)越多蛋白質(zhì)神秘面紗的揭開，我們可以更好地解釋各種各樣的生命活動(dòng)發(fā)生的原因和機(jī)理。利用冷凍電鏡技術(shù)觀察到的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，我們可以定向改造或構(gòu)建新的蛋白質(zhì)用于科研或醫(yī)療領(lǐng)域。

4總結(jié)與展望

冷凍電鏡技術(shù)具有分辨率高、更接近天然狀態(tài)、適用研究對(duì)象廣泛等特點(diǎn)，越來(lái)越多的科學(xué)家開始把冷凍電鏡技術(shù)作為研究的一個(gè)新方向。冷凍電鏡技術(shù)與X射線技術(shù)和核磁共振技術(shù)互相補(bǔ)充，讓絕大多數(shù)的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)都可以被解析。眾多領(lǐng)域的研究者們將在未來(lái)冷凍電鏡新的技術(shù)方法的開發(fā)中發(fā)揮重要的作用，成為該技術(shù)的進(jìn)一步完善與成熟的重要力