清華新聞網(wǎng)8月25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)受到廣泛關(guān)注。在cryoET的數(shù)據(jù)處理流程中，高質(zhì)量的三維斷層重建（tomogram reconstruction）對(duì)于展現(xiàn)樣品整體形貌以及后續(xù)的子斷層平均（subtomogram averaging）十分重要。雖然許多圖像處理步驟都是在傅里葉空間（Fourier space）中進(jìn)行的，但是由于斷層重構(gòu)的密度圖（tomogram）尺寸非常大，實(shí)現(xiàn)基于傅里葉空間的重建依然存在挑戰(zhàn)。因此，目前三維斷層重建的常用方法仍為實(shí)空間（real space）方法，如加權(quán)背投影（weightedback-projection, WBP）、同步迭代重建技術(shù)（simultaneous iterative reconstruction technique, SIRT）等。
近日，清華大學(xué)生命學(xué)院李雪明副教授課題組和電子系沈淵教授課題組聯(lián)合在《超顯微鏡》（Ultramicroscopy）在線(xiàn)發(fā)表題為“基于傅里葉空間的冷凍電子斷層成像多層重建方法”（Fourier-based multiple-slice reconstruction in cryo-electron tomography）的研究論文。論文報(bào)道了一種基于傅里葉空間的冷凍電子斷層成像三維斷層重建方法MUST（MUltiple Slice Technique，圖1）。該方法將三維重構(gòu)密度圖看作是由一系列平行平面層（parallel slice，PS）組成的，通過(guò)逐層獨(dú)立計(jì)算的方法來(lái)合成最后的三維圖像。而對(duì)于一個(gè)平行平面層的計(jì)算是通過(guò)在傅里葉空間按像素列投影計(jì)算得到的。由于像素列的計(jì)算是互相獨(dú)立的，可以實(shí)現(xiàn)像素級(jí)的并行計(jì)算。由此形成實(shí)空間平面級(jí)并行與傅里葉空間像素級(jí)并行的兩級(jí)并行架構(gòu)，可大幅提升重建效率。通過(guò)對(duì)傅里葉空間中頻點(diǎn)的相應(yīng)加權(quán)操作，MUST可以獲得與基于實(shí)空間的WBP和SIRT方法襯度相似的重構(gòu)結(jié)果（圖2）。研究團(tuán)隊(duì)同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在考慮樣品離焦量梯度（defocus gradient）的三維襯度傳遞函數(shù)校正（three-dimensional contrast transfer functioncorrection，3D-CTF correction）中，傅里葉空間中的平面狀的中心截面會(huì)劈裂為一對(duì)中心共軛拋物面（pairs of conjugate central paraboloids, PCCP）。
圖1.MUST算法流程圖
圖2.MUST與實(shí)空間重建方法的重構(gòu)結(jié)果對(duì)比
測(cè)試表明，MUST可以實(shí)現(xiàn)無(wú)混疊重建，消除了由于實(shí)空間重建方法的插值誤差所引入的反折條紋，以及由于實(shí)空間三維襯度傳遞函數(shù)校正對(duì)于離焦量梯度的離散化所引入的條紋（圖3）。進(jìn)一步的子斷層平均實(shí)驗(yàn)表明，MUST通過(guò)消除傅里葉空間中的混疊，相比實(shí)空間重建方法可以獲得更高分辨率的蛋白質(zhì)重構(gòu)結(jié)果（圖4）。
圖3.重構(gòu)密度圖截面功率譜對(duì)比。（A-D）MUST；（E-H）NovaCTF
圖4.子斷層平均結(jié)果對(duì)
清華大學(xué)生命學(xué)院副教授李雪明和電子系教授沈淵為論文共同通訊作者。清華大學(xué)生命學(xué)院聯(lián)合培養(yǎng)的電子系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，并得到國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)研究（北京）設(shè)施清華基地的設(shè)施支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.ultramic.2025.114223
軟件鏈接：
https://thuem.net/software/must/overview.html
供稿：生命學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
