清華新聞網(wǎng)6月5日電 冷凍電子斷層成像（cryo-electron tomography, cryoET）技術(shù)可以觀(guān)察細(xì)胞中生物大分子的原位結(jié)構(gòu)，近年來(lái)受到了廣泛關(guān)注。生物樣品在冷凍電鏡成像的過(guò)程中受到襯度傳遞函數(shù)（contrast transfer function,CTF）的影響，無(wú)法直接反映原始的結(jié)構(gòu)信息。在實(shí)現(xiàn)高分辨率的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析和電鏡圖像質(zhì)量評(píng)估的過(guò)程中，依托CTF準(zhǔn)確估計(jì)離焦量參數(shù)，對(duì)后續(xù)消除CTF的影響十分重要。
目前常用的離焦量估計(jì)方法通常依托圖像功率譜中的CTF衍射環(huán)（Thon ring）進(jìn)行估計(jì)。冷凍電子斷層成像傾轉(zhuǎn)系列圖像信噪比非常低，且由于樣品傾轉(zhuǎn)引起照片中的離焦量隨樣品高度連續(xù)變化。這些因素導(dǎo)致高傾轉(zhuǎn)角度下拍攝的電鏡照片功率譜中沒(méi)有清晰的CTF衍射環(huán)，導(dǎo)致難以精確估計(jì)樣品的成像離焦量。此外，通過(guò)冷凍聚焦離子束（cryo-focused ion beam, cryoFIB）減薄方法制備的薄片樣品與樣品臺(tái)之間常常存在一個(gè)十幾度的夾角，稱(chēng)為絕對(duì)傾角偏移。該偏移會(huì)影響照片局域離焦量的估計(jì)，進(jìn)而影響整體離焦量估計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性。
5月31日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院李雪明副教授課題組和電子工程系沈淵教授課題組聯(lián)合在《結(jié)構(gòu)》（Structure）雜志在線(xiàn)發(fā)表研究論文，題目為“基于冷凍電子斷層成像傾轉(zhuǎn)系列照片的離焦量聯(lián)合估計(jì)方法”（Tilt-series-based joint CTF estimation for cryo-electron tomography）。該論文報(bào)道了一種基于全部?jī)A轉(zhuǎn)系列照片的聯(lián)合估計(jì)方法（圖1）。該方法首先利用整套傾轉(zhuǎn)系列數(shù)據(jù)來(lái)生成并估計(jì)整套數(shù)據(jù)的平均離焦量。其中通過(guò)引入一種尺度變換（Thonring rescaling）的方法，將不同離焦條件下的功率譜進(jìn)行縮放，使其中的CTF衍射環(huán)能夠被對(duì)齊并平均，從而獲得高信噪比的平均功率譜。接下來(lái)，該方法依托平均離焦量作為初始值，對(duì)傾轉(zhuǎn)系列中每張照片的離焦量進(jìn)行局部估計(jì)優(yōu)化，以提升單張照片的離焦量估計(jì)精度。在上述估計(jì)的過(guò)程中，該方法還包括了基于圖像灰度均值的絕對(duì)傾角偏移估計(jì)方法，以及通過(guò)將離焦量與絕對(duì)傾角偏移和面外傾角（x-tilt）進(jìn)行聯(lián)合建模，在改善離焦量估計(jì)準(zhǔn)確性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品三維傾角的精確測(cè)量。
圖1.CTFMeasure算法流程圖
研究團(tuán)隊(duì)基于上述聯(lián)合估計(jì)方法，開(kāi)發(fā)了名為CTFMeasure的新軟件。測(cè)試表明，相對(duì)于已有方法，CTFMeasure可以在功率譜中展現(xiàn)出更加清晰的CTF衍射環(huán)花樣（圖2）；并以此為依托，在實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確離焦量估計(jì)的同時(shí)，為用戶(hù)基于CTF衍射環(huán)的數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估提供數(shù)據(jù)支持。實(shí)驗(yàn)表明，使用CTFMeasure估計(jì)的離焦量可以為子斷層平均（subtomogram averaging）提供更加精確的初始離焦量估計(jì)，為獲得高分辨率的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)三維重構(gòu)提供有力支持。更好的離焦量初始值也有助于減少三維結(jié)構(gòu)解析計(jì)算的迭代輪數(shù)，提高計(jì)算效率（圖3）。
圖2.絕對(duì)傾角偏移估計(jì)與經(jīng)歷尺度變換后的CTF衍射環(huán)（Thon ring）對(duì)比
圖3.子斷層平均結(jié)果對(duì)比
李雪明和沈淵為論文共同通訊作者，清華大學(xué)電子工程系2020級(jí)博士生張冉顥為論文第一作者。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、生命科學(xué)聯(lián)合中心、北京生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心等的資金支持，并得到了國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)研究（北京）設(shè)施清華基地的設(shè)備和技術(shù)支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.str.2024.05.006
供稿：生命學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
