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。