清華生命學(xué)院王宏偉課題組發(fā)文報(bào)道冷凍電鏡過(guò)焦成像新方法
清華新聞網(wǎng)10月10日電 10月3日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院王宏偉教授領(lǐng)導(dǎo)的研究組在《結(jié)構(gòu)》（Structure）期刊在線(xiàn)發(fā)表題為《利用球差矯正冷凍電鏡和電壓相位板技術(shù)在過(guò)焦?fàn)顟B(tài)下解析近原子分辨率蛋白結(jié)構(gòu)》（Near-Atomic Resolution Structure Determination in Over-Focus with Volta Phase Plate by Cs-corrected Cryo-EM）的冷凍電鏡方法學(xué)研究論文。該研究成果首次提出并使用過(guò)焦成像技術(shù)獲得高分辨蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，是冷凍電鏡成像理論方面的新方法，同時(shí)也為球差矯正技術(shù)和相位板技術(shù)在生物冷凍電鏡領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新思路。
過(guò)焦成像技術(shù)示意圖。
近年來(lái)，冷凍電鏡技術(shù)的快速發(fā)展使得越來(lái)越多的生物大分子結(jié)構(gòu)得以解析，但目前很多已發(fā)表的電鏡結(jié)構(gòu)在收集數(shù)據(jù)時(shí)的成像方式卻仍在沿用數(shù)十年以前的欠焦成像方法。這是由于在電鏡成像時(shí)，生物冷凍樣品并不是完美的“弱相位物體”（即電子與其發(fā)生相互作用時(shí)只發(fā)生彈性散射而不損失能量），而是會(huì)受到一定的能量損失，產(chǎn)生振幅襯度。而根據(jù)襯度傳遞理論（Contrast transfer theory），在存在振幅襯度的情況下如果使用過(guò)焦成像，圖像會(huì)在極低頻率處有快速的相位反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生可以用肉眼觀(guān)察到的圖像襯度翻轉(zhuǎn)（由黑變白）。而這種極低頻的相位反轉(zhuǎn)很難用軟件去估測(cè)和校正，導(dǎo)致錯(cuò)誤的高頻信號(hào)相位擬合，造成無(wú)法獲得高分辨的結(jié)構(gòu)信息。
王宏偉實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合近幾年發(fā)展起來(lái)的電壓相位板（Volta phase plate，VPP）以及由材料電鏡領(lǐng)域引入生物冷凍電鏡的球差矯正器（Cs-corrector）技術(shù)，從理論上展示了在特定條件下可以利用這兩個(gè)設(shè)備使得收集的過(guò)焦數(shù)據(jù)和欠焦數(shù)據(jù)完全等價(jià)，從而不需要對(duì)過(guò)焦和欠焦數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)分。隨后，研究人員利用電壓相位板和球差矯正電鏡收集了去鐵蛋白（apo-ferritin）在欠焦和過(guò)焦?fàn)顟B(tài)下的電鏡照片，并解析得到了去鐵蛋白在欠焦?fàn)顟B(tài)下2.9埃、過(guò)焦?fàn)顟B(tài)下3.2埃和過(guò)焦/欠焦混合狀態(tài)下3.0埃的三個(gè)高分辨結(jié)構(gòu)。這些結(jié)果從實(shí)驗(yàn)上證明了過(guò)焦成像技術(shù)的可行性，也為電鏡數(shù)據(jù)收集提供了有價(jià)值的新特性。
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授、高精尖創(chuàng)新中心王宏偉博士和清華大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)主管雷建林博士為該論文的共同通訊作者。生命學(xué)院2014級(jí)博士生范瀟，結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心卓越學(xué)者趙玲云博士為該論文共同第一作者。生命學(xué)院2014級(jí)博士生劉傳參與了部分工作。北京大學(xué)化學(xué)院彭海琳課題組2014級(jí)博士生張金燦提供了石墨烯電鏡載網(wǎng)，中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所閻錫蘊(yùn)課題組范克龍博士提供了去鐵蛋白樣品。
本項(xiàng)研究獲得了清華大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)的大力支持，所有的冷凍電鏡數(shù)據(jù)均采集于國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)（北京）設(shè)施清華大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)；數(shù)據(jù)處理工作獲得了國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)（北京）設(shè)施清華大學(xué)高性能計(jì)算平臺(tái)的支持。本項(xiàng)工作獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、北京市科委和北京市結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心等的支持。
原文鏈接:
http://www.cell.com/structure/fulltext/S0969-2126(17)30261-7
供稿：生命學(xué)院 編輯：華山
