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1、评述中国知名大学及研究院所专栏清华大学专辑冷冻电子显微学在结构生物学研究中的现状与展望王宏伟清华大学生命科学学院,北京100084E-mail:hongweiwang@tsinghua.edu.cn收稿日期:2014-09-02;接受日期:2014-09-19国家重点基础研究发展计划(批准号:2010CB912401)资助项目doi:10.1360/052014-140摘要冷冻电子显微学近年来在电子显微镜的硬件设备及结构解析的软件算法等方面取关键词冷冻电子显微学结构生物学细胞生物学得了多个重要的技术突破,正在成为结构生
2、物学研究的重要技术手段,为越来越多的生物学研究者所重视.冷冻电子显微学的技术特点决定了它所具备的一些独特优势和发展方向,同时作为一个正在迅速发展的科学技术领域,需要多学科的交叉促进.本文主要介绍冷冻电子显微学的研究现状及面临的技术挑战,并提出未来可能实现结构生物学与细胞生物学不同尺度的研究在冷冻电子显微学技术上融合的新方法.结构生物学是20世纪后半叶,尤其是在80~90年代蓬勃发展起来的重要学科.通过对生物大分子(蛋白质、核酸及其复合体)的三维空间结构的测定,结构生物学可以在微观尺度上精确地描述复杂生物大分子的形状,原
3、子与分子组合方式,及其表面带电、亲疏水等物理性质,从而为生物大分子发挥生物学功能的机理提供关键的解释.进入21世纪以来,结构生物学研究的技术手段日益成熟,在现代生物学研究的各个分支领域中均发挥着重要的作用.至今为止,国际蛋白质结构数据库中的结构数据已经超过100000(图1A),其中绝大部分结构由X射线晶体学及核磁共振波谱学解析而来.近年来,技术的进步使得结构生物学新的研究手段取得了长足的进展.2013年12月份发表在Nature上的利用冷冻电子显微学解析获得TRPV1原子分辨率结构的两篇文章,在结构生物学领域造成了巨
4、大的反响.美国加州大学旧金山分校的程亦凡研究组与Julius研究组合作,利用冷冻电子显微学技术首次获得了300kD膜蛋白TRPV1的3.4Å分辨率的三维结构,并建立了该分子的原子模型[1,2].其实在过去的几年间,已经有若干工作报道了利用冷冻电子显微学解析病毒、蛋白酶体复合物、核糖体等近原子分辨率模型[3~6].这些工作的里程碑式意义在于:高分辨率结构解析过程不需要生长三维晶体,样品用量非常少,而且可以在短时间内同时获得多个复合体状态的三维结构.短短一年里,冷冻电子显微学技术作为直接解析生物大分子原子分辨率结构的技术手
5、段受到人们的广泛关注.事实上,电子显微学是结构生物学研究中的老兵.该技术自从20世纪50~60年代以来,一直在研引用格式:王宏伟.冷冻电子显微学在结构生物学研究中的现状与展望.中国科学:生命科学,2014,44:1020–1028WangHW.Currentstatusandfutureperspectiveofcryo-electronmicroscopyinstructuralbiology.SCIENTIASINICAVitae,2014,44:1020–1028doi:10.1360/052014-140中国科
6、学:生命科学2014年第44卷第10期究细胞、亚细胞及生物大分子结构的研究中扮演着独特的角色,揭示了很多重要的细胞内精细结构.在研究生物大分子的结构方面，该技术采取与X射线晶体学及核磁共振波谱学迥然不同的原理,在过去的几十年里逐渐建立了成熟的图像处理及分析算法,成为结构研究的一种独特技术手段.近10年来,该领域的日臻成熟以及科研团队的扩大更快地催生了冷冻电子显微学成像技术与结构解析技术的革命性突破.自从2008年以来,冷冻电子显微学已经连续获得多种生物大分子复合体的原子分辨率结构,而且高分辨率结构的解析速度正在呈现迅速
7、上涨的趋势(图1B).1冷冻电子显微学基本原理冷冻电子显微学解析生物大分子及细胞结构的核心是透射电子显微镜成像,其基本过程包括样品制备、透射电子显微镜成像、图像处理及结构解析等几个基本步骤(图2).在透射电子显微镜成像中,电子枪产生的电子在高压电场中被加速至亚光速并在高真空的显微镜内部运动.根据高速运动的电子在图1国际蛋白质结构数据库中原子模型数据统计A:截止至2014–06–30蛋白质数据库中应用各种方法所解析的所有原子结构数目;B:1997–2013年间应用冷冻电子显微学技术所解析的原子模型数目变化趋势磁场中发生偏
8、转的原理,透射电子显微镜中的一系图2冷冻电子显微学解析结构基本步骤1021王宏伟:冷冻电子显微学在结构生物学研究中的现状与展望列电磁透镜对电子进行汇聚,并对穿透样品过程中与样品发生相互作用的电子进行聚焦成像以及放大,最后在记录介质上形成样品放大几千倍至几十万倍的图像.利用计算机对这些放大的图像进行处理分析即可获得样品的精细结构.生
