清華新聞網(wǎng)8月12日電 螺旋組裝體（helical structure）廣泛存在于細(xì)胞環(huán)境中，在細(xì)胞形態(tài)維持、物質(zhì)運(yùn)輸、信息傳遞等多種生物過(guò)程中扮演著重要角色，其三維結(jié)構(gòu)的解析對(duì)于揭示相關(guān)的生物過(guò)程機(jī)制具有重要意義。螺旋參數(shù)的測(cè)定是實(shí)現(xiàn)螺旋結(jié)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)解析的關(guān)鍵基礎(chǔ)。目前常用的測(cè)定方法是層線(xiàn)法，通過(guò)對(duì)螺旋組裝體電鏡圖像的功率譜中的線(xiàn)段狀衍射圖樣進(jìn)行測(cè)量與標(biāo)定，以實(shí)現(xiàn)螺旋參數(shù)的解算。在實(shí)際應(yīng)用中，冷凍電鏡（cryo-electron microscopy, Cryo-EM）圖像的極低信噪比（signal-to-noise rate, SNR）、螺旋組裝體的柔性形變以及功率譜中的貝塞爾重疊（Bessel overlap）現(xiàn)象等問(wèn)題，容易導(dǎo)致層線(xiàn)的模糊與偏移，使得該類(lèi)方法的應(yīng)用具有極大挑戰(zhàn)性。此外，傳統(tǒng)的層線(xiàn)法主要針對(duì)單顆粒圖像設(shè)計(jì)，不適用于冷凍電子斷層圖像，制約了在原位結(jié)構(gòu)解析中的應(yīng)用。
近日，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)表題為“基于柱面展開(kāi)的螺旋參數(shù)精確測(cè)量方法”（Accurate helical parameter estimation based on cylindrical unrolling）的研究論文。論文報(bào)道了一種名為HELIS（HELix Is Simple）的方法以及同名的軟件，依托柱面晶格分析實(shí)現(xiàn)冷凍電子斷層圖像中的螺旋參數(shù)測(cè)定（圖1）。該方法首先通過(guò)最小旋轉(zhuǎn)標(biāo)架方法（rotation minimization frame, RMF）實(shí)現(xiàn)彎曲螺旋組裝體的拉直，并將其沿著軸線(xiàn)展開(kāi)，得到具有二維晶格結(jié)構(gòu)的展開(kāi)密度圖；然后通過(guò)聚合多個(gè)不同半徑的柱面信息，得到增強(qiáng)的衍射功率譜；最后利用功率譜中的衍射點(diǎn)位置確定倒易基向量并解算螺旋參數(shù)。除此之外，HELIS軟件中還集成了螺旋纖維追蹤、單纖維三維重構(gòu)以及相對(duì)極性估計(jì)等功能，便于用戶(hù)觀(guān)察與分析樣品中螺旋組裝體的形態(tài)及相互關(guān)系。
圖1.基于柱面展開(kāi)的螺旋參數(shù)估計(jì)方法流程圖
研究團(tuán)隊(duì)使用了多種形態(tài)差異較大的螺旋組裝體驗(yàn)證了方法的有效性與準(zhǔn)確性。在光依賴(lài)型原葉綠素氧化還原酶（light-dependent protochlorophyllide oxidoreductase, LPOR）數(shù)據(jù)的測(cè)試中，HELIS順利得到了清晰的衍射功率譜（圖2c），實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確的螺旋參數(shù)估計(jì)，并通過(guò)對(duì)稱(chēng)平均展示了LPOR的每個(gè)對(duì)稱(chēng)單元都是二聚體（圖2d）。對(duì)于擬菌病毒的基因組纖維（mimivirusgenomic fiber, MGF）數(shù)據(jù)的測(cè)試展示了HELIS能夠靈敏地檢測(cè)出同種基本單元形成的若干種相近但不相同螺旋組裝形式（圖3）。在其他類(lèi)型的數(shù)據(jù)上也展示出很高的準(zhǔn)確性。相關(guān)的結(jié)果為高分辨結(jié)構(gòu)解析以及結(jié)構(gòu)功能研究奠定了必要的基礎(chǔ)。
圖2.LPOR膜管的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。（a）某根LPOR膜管的斷層圖像截面；（b）LPOR膜管的平均柱面展開(kāi)圖像；（c）LPOR膜管的管狀展開(kāi)功率譜。橙色箭頭指示選定的一對(duì)倒易基向量，綠色數(shù)字表示衍射點(diǎn)的指標(biāo)；（d）（b）的對(duì)稱(chēng)平均圖像；（e）LPOR膜管的單顆粒圖像；（f）LPOR膜管一段區(qū)域（（e）中綠色框）的功率譜；在（b）和（c）中，水平方向和垂直方向的長(zhǎng)度單位不同，兩個(gè)方向分別提供比例尺
圖3.MGF螺旋異質(zhì)性分析。（a）-（c）MGF三種不同螺旋組裝體的平均柱面展開(kāi)圖像，下方嵌入圖為疊加晶格的對(duì)稱(chēng)平均圖，右上角顯示GMC氧化還原酶二聚體的放大圖；（d）-（f）與（a）-（c）對(duì)應(yīng)的管狀展開(kāi)功率譜，虛線(xiàn)表示倒易晶格；（g）倒易晶格差異比較。在同一圖像中用相應(yīng)顏色的直線(xiàn)網(wǎng)格展示了（d）-（f）中的倒易晶格
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院副教授李雪明和電子工程系教授沈淵為論文的共同通訊作者。清華大學(xué)電子工程系2019級(jí)博士生黃銘濤為論文的第一作者。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，并得到國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)研究（北京）設(shè)施清華基地的技術(shù)和設(shè)備支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.str.2025.06.008
軟件鏈接：
https://thuem.net/software/helis/overview.html
供稿：生命學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
