基于冷冻电镜无倾转成像数据的新型蛋白质原位结构解析方法

与体外纯化的蛋白质复合物相比,细胞内处于工作状态的蛋白质复合物往往更为完整,并且其三维结构处于完全生理的构象,这对于理解蛋白质复合物在生命活动中发挥重要功能的结构基础尤为关键,也可以为药物设计等提供更精确的靶点信息。直接在细胞内解析蛋白质复合物的三维结构也被称为蛋白质的细胞原位结构解析,而冷冻电镜电子断层重构技术是原位结构解析的关键技术,但是电子断层重构技术的序列倾转数据采集通量低、数据处理较为繁琐,并且达到准原子分辨率对样品有特殊要求,这些问题成为了限制原位结构解析分辨率和实际应用的瓶颈。近年来,一种基于单张无倾转数据的蛋白质原位结构解析方法发展迅速,可以高通量地对细胞中的蛋白质复合物进行高分辨率结构解析,本综述将分析这类方法的原理,讨论这个方法相较于传统断层重构方法的优缺点,并对蛋白质的细胞原位结构解析进行展望。希望可以通过这篇综述,帮助结构生物学科研人员更好地选择合适的工具。

冷冻电镜解析病毒颗粒中的蛋白质结构

病毒的蛋白质衣壳在病毒颗粒识别受体以及入侵细胞中起到了关键作用,其高分辨结构的解析有利于帮助理解病毒入侵宿主的分子机制,并为对抗病毒的疫苗和药物的设计提供精细的靶点信息。由于正二十面体病毒粒子的高对称性以及其在冷冻电镜照片中远优于蛋白质复合物的衬度,伴随着技术发展,冷冻电镜单颗粒技术率先在一系列直径约70 nm的正二十面体病毒上获得了准原子分辨率结构解析,这些工作不仅揭示了病毒颗粒精细的组装机制,也展示了冷冻电镜解析蛋白质结构的潜力。随着直接电子探测相机的出现,更小的正二十面体以及其它对称性病毒的三维重构分辨率获得显著提升。而埃瓦尔德球矫正算法的发展以及其在病毒重构中的应用使大型正二十面体病毒三维重构突破了分辨率瓶颈,最终实现了准原子分辨率结构解析,在原子尺度展示了极其复杂的大型病毒是如何由成百上千个结构蛋白组装而成。现阶段,冷冻电镜技术正在向原位结构解析方向发展。原位结构解析技术不仅可用于非对称性病毒颗粒上蛋白质的高分辨结构解析,也可以用于研究各种病毒入侵宿主细胞、转录、复制以及病毒颗粒组装、出芽的研究。基于电子断层重构以及亚单位平均的原位结构解析方法展示了其强大的能力,但依然存在着数据采集通量低,三维重构分辨率提升困难的问题。原位结构解析需要进一步发展、完善,结合更好的细胞冷冻切片制备技术,将病毒的原位结构研究推进到新的高度。本文将结合冷冻电镜重构技术的发展和病毒粒子的结构生物学研究,描述这三个阶段的技术和科研的进展,并对未来进行展望。

生物科学计算平台冷冻电镜结构解析实验室管理

以清华大学生命科学院生物计算平台冷冻电镜结构解析实验室管理为案例,介绍了实验室现状、制度体系、平台运行和成果4个部分,阐述了实验室管理和运行过程中经常出现的问题,提出了有效的改进措施,以便进一步提高设备的完好率和利用率,切实有效地为科研和教学服务,为建立高效有序的实验管理提供理论依据。

我国首次利用冷冻电镜技术解析生物大分子原子结构模型

美国国家科学院院刊在线发表了中科院生物物理研究所朱平研究组及其合作伙伴利用冷冻电镜技术解析的一个质型多角体病毒原子分辨率结构模型的研究论文。这是我国首次利用冷冻电镜技术解析的生物大分子原子结构模型，也是目前已报道的国内最高分辨率的冷冻电镜三维重构结果。同时，这是世界上首次利用冷冻电镜的CCD图像（电荷耦合器件图像传感器）获得的生物大分子复合体的全原子模型。

我国首次利用冷冻电镜技术解析生物大分子原子结构模型

今年1月10日，美国《国家科学院院刊》（PNAS）在线发表了中科院生物物理研究所朱平研究组副研究员程凌鹏与其他单位研究者合作完成的论文Atomic model of a cypovirus built from cryo-EM structure provides insight into the mechanism of mRNh capping,该发现对研究dsRNA病毒的mRNA加帽（Capping）机制有重要意义。

生物大分子冷冻电镜结构解析技术研究进展：2017年诺贝尔化学奖解读

生物大分子的结构研究是从原子分子水平上阐述生命过程的规律、探索重大疾病发生发展机制和高靶向性药物研发的关键.解析生物大分子三维结构的主要技术有X射线晶体学(X-ray)、核磁共振(NMR)和冷冻电镜(Cryo-EM).近年来,冷冻电镜技术发展迅速,其分辨率可以达到原子水平(约3?,在超大复合物结构解析方面优势明显.2017年三位科学家因发展了冷冻电镜解析生物大分子三维结构的方法获得诺贝尔化学奖.本文简要评析了此次诺贝尔化学奖获奖工作的科学背景及应用前景.

非变性质谱技术推动蛋白质结构研究,助力新药研发

蛋白质是生命的物质基础,通过与不同生物分子间的相互作用在生物体内执行着各项重要工作,其功能与结构直接相关。因此,解析蛋白质及其复合物高阶结构对于深入理解蛋白质功能、生理现象及药物研发具有重要意义。过去的60余年,随着X-射线晶体衍射(X-ray)、核磁共振(NMR)以及冷冻电镜(cryoEM)等技术的出现和不断发展,蛋白质结构解析取得了长足发展。

具有“眼见为实”魅力的结构生物学不断突破

冷冻电镜技术突破了硬件和三维重构软件面临的诸多壁垒,不断改进并完善,提高了样品分辨率,揭示了众多生物分子细节。2013年年底,结构生物学经历了一场“分辨率革命”,许多生物大分子的神秘面纱纷纷被揭开。冷冻电子显微镜(以下简称“冷冻电镜”)是结构生物学的重要研究工具、重要突破,其结构解析的分辨率已从纳米尺度进入埃尺度(即原子尺度),成为可以与X射线晶体学相媲美的结构解析方法。其中,单颗粒冷冻电镜技术大大降低了结构解析的难度,提高了结构解析的速度。通过冷冻电镜技术,研究人员可以揭示许多之前未能知晓的生物分子细节,帮助人们揭秘众多的生物学现象。

生物物理所30nm染色质高级结构解析获得重要突破

中科院生物物理所朱平研究组、李国红研究组、许瑞明研究组长期合作，成功建立了一套染色质体外重建和结构分析平台，利用一种冷冻电镜单颗粒三维重构技术在国际上率先解析了30nm染色质的高清晰三维结构，

膜骨架研究进展

膜骨架是细胞膜内侧分布的一种具有重复性规律排布的结构,帮助维持和稳定细胞膜形态,并参与调控多种细胞内生理过程。膜骨架最初在红细胞中被发现,赋予红细胞卓越的膜机械稳定性,是红细胞维持正常双凹圆盘形状和生理功能的重要因素。以红细胞膜骨架为代表,对膜骨架的相关研究进行综述,详细阐述红细胞膜骨架的蛋白质组成和复合物结构,简述神经细胞膜骨架的相关研究,探讨膜骨架研究领域中待解决的科学问题,并对未来的发展前景进行展望。