前几日刚刚公布的开户即送588可提现游戏7年诺贝尔奖化学奖,颁给了三位开发冷冻电镜技术的科学家。近几年,冷冻电镜在结构生物学领域带来了革命性的变化,对生物大分子复合物结构分析的精度和范围都超越了以前的传统方法。

今天,探索君就在此给大家介绍一下冷冻电镜是如何被开发出来的,其发展历程上的里程碑事件以及冷冻电镜在中国的发展,并盘点一下这两年中国科学家在该领域发表在CNS上的研究文章。

这届诺贝尔奖化学奖颁给了Jacques Dubochet, Joachim Frank 和Richard Henderson。3人因开发冷冻电镜技术而获奖,他们简化和提高了生物分子的成像,可以说,将生物化学学科带入新纪元。

开户即送588可提现游戏7年诺贝尔化学奖获得者 图片来源 Nobel官网

1975年,Richard Henderson和同事用电子显微镜获得了历史上第一张膜蛋白——细菌视紫红质的三维结构图。15年后,Henderson再次对外发布了分辨率达到原子层面的细菌视紫红质立体图像,这一突破性成果有力证明了用电子显微镜进行生物分子成像的潜力。

在1975到1986年间,Joachim Frank研发了一种图像处理方法,可以对电子显微镜下模糊的2D图像进行分析和合并,从而显示出一个清晰的三维结构。

Frank的成像分析方法 图片来源 Nobel官网

而Jacques Dubochet的工作集中在“冷冻”这个词上,他成功实现了将蛋白样品固定在玻璃态的冰中,使得在电子显微镜的高真空环境开户送38体验金不限id接近生理状态下的蛋白成为可能。

Dubochet的玻璃化方法 图片来源 Nobel官网

“冷冻电镜技术(cryo-electron microscopy, cryo-EM)”能够对含水的粒子(hydrated particles)进行直接成像。除了具有这些优势之外,冷冻电镜还能够减少电子束对样品产生的放射性损害。这种技术不仅能够研究生物大分子在晶体状态和溶液状态的结构,且能够研究复杂大分子体系和超分子体系,如核糖体、病毒、溶酶体和线粒体等。

冷冻电子显微镜工作示意图 来源Nature

冷冻电镜之前的问题就是得到的照片信噪比比较低。在最新的电子探测器出现之前,人们使用电荷耦合器件(CCD),电子照下来要先打在荧光层上变成光信号,然后CCD转换成电信号产生图像,多余一次的光转换降低了效率。

与显微镜生产商合作时,研究者们发明了一种新的直接电子探测器,这种探测器的灵敏度远高于胶片和CCD。最新的技术能够直接把电子抓下来,很多以前不起作用的算法都能用了,看不见的蛋白质可以找到了。大约在开户即送588可提现游戏2年,这种探测器能够以一分钟几十帧的高速得到单个分子原子的连续图像。X-射线晶体衍射只能对单个、静态的蛋白晶体成像,但冷冻电子显微镜能够对蛋白的多种构象进行成像,帮助科学家们推断蛋白的功能。

图中黑点是2000-开户即送588可提现游戏2年cryo-EM解出的结构。红点都是开户即送588可提现游戏3年cryo-EM突破以后的结构。图片来自Bai, X.-c., McMullan, G. and Scheres, S. H. W. (开户即送588可提现游戏4) How cryo-EM is revolutionizing structural biology. Trends Biochem. Sci.

通俗地来说技术突破是:

1. 直接电子探测器。和CCD相比基本就是单反和卡片机的区别。

2. 随之而来的算法。高速的记录能力使得之前只能记录一张照片,现在能记录几十帧的影片。这么说吧,以前是在用美图秀秀,现在在用绘声绘影。

结果,是分辨率的大规模提升。以前只能看清楚个人影,现在能看清楚脸上的雀斑。

因为冷冻电子显微镜技术的出现,我们能看到的微观世界从图片左侧的样子,变成了右侧这样。图片来源Nobel官网

冷冻电镜得到了迅猛发展,专家们正在寻找更大的挑战作为下一个解析目标。对很多人来说,最想解析的是夹在细胞膜内的蛋白。这些蛋白是细胞信号通路中的关键分子,也是比较热门的药物靶标。但这些蛋白很难结晶,传统的X射线晶体学方法就没有办法对膜蛋白进行解析。

冷冻电镜新技术运用在膜蛋白上的里程碑是: 开户即送588可提现游戏3年12月5日华人学者程亦凡与David Julius利用冷冻电镜以近原子分辨率3.4埃确定了TRPV1膜蛋白(检测辣椒中引起灼烧感的物质的受体,并与其它痛感蛋白紧密相关)的结构,这促使许多结构生物学专家和制药公司关注这一技术。

Yifan Cheng(程亦凡) 图片来源UCSF

1950年,钱临照教授发现国民政府遗留物资里有一个装满透射电子显微镜 (TEM)部件的集装箱立即就决定尽管缺少安装手册,也要组装这些显微镜。此后在短短不到4年时间里,钱临照教授等人发表了中国大陆第一篇电子显微学方面的论文,这篇论文也开创了中国利用电子显微镜探索纳米世界的新时代。

这段时间许多材料科学与物理学的先驱科学家为发展国内电子显微镜事业做出了极大的贡献,如钱临照、郭可信、李方华、冯端和王仁卉等。如今国内冷冻电子显微镜领域超过三分之二的科学家都曾是这些科学先驱们的门生,或受他们的影响。

中国电镜学者家谱图 图片来源Hong-Wei Wang, Jianlin Lei, and Yigong Shi (开户即送588可提现游戏7) Biological cryo-electron microscopy in China. Protein Sci

中国冷冻电镜分布图 图片来源Hong-Wei Wang, Jianlin Lei, and Yigong Shi (开户即送588可提现游戏7) Biological cryo-electron microscopy in China. Protein Sci

  • The 3.8 Å structure of the U4/U6.U5 tri-snRNP: Insights into spliceosome assembly and catalysis

    开户即送588可提现游戏6年1月29日,清华大学生命学院施一公院士研究组在《科学》(Science)上报道了酿酒酵母剪接体组装过程中的一个关键复合物U4/U6.U5 tri-snRNP(剪接体组装过程中最大也是最保守的预组装复合物)高达3.8埃分辨率的冷冻电镜结构,并在此基础上分析了剪接体的组装机制,为进一步理解剪接体的激活及前体信使RNA(pre-mRNA)剪接反应的催化机制提供了重要分子基础。

  • Structure of a yeast catalytic step I spliceosome at 3.4 Å resolution

    开户即送588可提现游戏6年8月26日施一公院士课题组再度在剪接体研究中取得重大突破,2篇姊妹研究论文同期发表在《科学》(Science)杂志。

    研究小组采用冷冻电子显微镜获得了平均分辨率为3.4埃的酿酒酵母催化第一阶段剪接体(复合物C)的原子结构。研究揭示的结构特征描述出了第一阶段催化反应后剪接体的形成,预测了完成第二阶段酯转移反应所需的结构改变。

  • Structure of a yeast activated spliceosome at 3.5 Å resolution

    研究人员采用冷冻电子显微镜确定了来自酿酒酵母的催化激活剪接体(复合物Bact)的原子结构,平均分辨率达到3.52埃。这两篇背靠背的文章首次完整地展示了第一步转酯反应前后pre-mRNA和其中起催化作用的snRNA的反应状态,以及剪接体内部蛋白组分的组装情况。

  • Structure of a yeast step II catalytically activated spliceosome

    在开户即送588可提现游戏7年1月13日发表的《科学》长文中,施一公教授研究组捕获了性质良好的酿酒酵母剪接体样品,并利用先进的单颗粒冷冻电镜技术和高效的数据分类方法,重构出了总体分辨率分别为4.0埃的冷冻电镜结构,首次报道了酵母第二步催化激活状态下的剪接体结构。

    开户即送588可提现游戏5年8月至今,施一公研究组共报道了剪接反应中5个关键状态剪接体复合物的高分辨率结构,基本覆盖了整个剪接通路中关键的催化步骤,提供了迄今为止最为清晰的剪接体不同工作状态下的结构信息,大大推动了RNA剪接研究领域的发展。这些结构与之前报道的系列结构组合在一起,组成了一个几近完整的剪接体循环的分子机制拼图,讲述了剪接体的一个完整故事。

  • An Atomic Structure of the Human Spliceosome

    开户即送588可提现游戏7年5月18日,清华大学施一公研究组于《细胞》(Cell)上发表第一个高分辨率的人源剪接体结构,也是首次在近原子分辨率的尺度上开户送38体验金不限id到酵母以外的、来自高等生物的剪接体的结构,进一步揭示了剪接体的组装和工作机理,为理解高等生物的RNA剪接过程提供了重要基础。

  • Structural Insights into the Niemann-Pick C1 (NPC1)-Mediated Cholesterol Transfer and Ebola Infection

    开户即送588可提现游戏6年6月2日,清华大学颜宁课题组与中国疾控中心、中科院微生物组高福院士课题组合作的一项最新成果,在世界上首次解析出NPC1蛋白的清晰结构,并初步揭示了它的工作过程,从而为干预、治疗罕见遗传疾病“尼曼—皮克病”和埃博拉病毒打开了新大门。

  • Structure of the voltage-gated calcium channel Cav1.1 at 3.6 Å resolution

    开户即送588可提现游戏6年9月8日颜宁团队发表于Nature的研究文章在3.6 Å的分辨率上,解析了兔Cav1.1复合物的冷冻电子显微镜结构,为兴奋-收缩偶联的机制理解,奠定了基础,并为Cav和Nav通道的功能和疾病机制的分子解释,提供了一个三维的模板。

  • Structural basis for the gating mechanism of the type 2 ryanodine receptor RyR2

    RyR是广泛存在于肌肉细胞及脑组织中的钙离子释放通道。在哺乳动物中,RyR有三个亚型,其中RyR1和RyR2分别在骨骼肌和心肌的兴奋-收缩偶联中发挥作用。开户即送588可提现游戏6年12月2日, Science杂志上发表了清华大学医学院颜宁研究组与加拿大卡尔加里大学陈穗荣研究组合作的研究论文揭示了目前已知分子量最大的离子通道Ryanodine受体RyR2亚型处于关闭和开放两种状态的三维电镜结构,探讨了RyR2的门控机制。

  • Structure of a eukaryotic voltage-gated sodium channel at near-atomic resolution

    钠通道是所有动物中电信号的主要启动键,也是诸多国际制药公司的研究靶点,有着巨大的制药前景。开户即送588可提现游戏7年3月3日,清华大学颜宁研究组在世界上首次报道了真核生物电压门控钠离子通道的3.8 Å分辨率的冷冻电镜结构,为理解其作用机制和相关疾病致病机理奠定了基础。

  • Structure of the Human Lipid Exporter ABCA1

    开户即送588可提现游戏7年6月15日,清华大学生命学院颜宁研究组在Cell杂志发表的一项新成果,首次报道了胆固醇逆向运输过程中的关键蛋白ABCA1近原子分辨率的冷冻电镜结构,为理解其作用机制及相关疾病致病机理提供了重要信息。

  • The architecture of the mammalian respirasome

    清华大学生命科学学院杨茂君教授研究组在开户即送588可提现游戏6年9月29日的《自然》(Nature)期刊发表研究长文(Article),首次报道了迄今为止分辨率最高的线粒体呼吸链超级复合物—呼吸体的冷冻电镜三维结构。这一目前为止世界上所解析的最大也是最复杂的膜蛋白超级复合物结构,为我们深入理解哺乳动物呼吸链复合物的组织形式、分子机理以及治疗细胞呼吸相关的疾病提供了重要的信息。

  • Structure of Mammalian Respiratory Supercomplex I1III2IV1

    开户即送588可提现游戏6年12月1日,清华大学生命科学学院杨茂君研究组在《细胞》(Cell)报道了线粒体呼吸链超级复合物(呼吸体)原子分辨率的冷冻电镜三维结构。他们成功地将呼吸体结构的分辨率提升至原子分辨率(3.3-3.9 Å)级别,并解析了目前为止分辨率最高的哺乳动物呼吸链复合物I的精细结构(3.3-3.6 Å)。

  • Structure of a Pancreatic ATP-Sensitive Potassium Channel

    ATP敏感性钾通道( ATP-Sensitive Potassium Channel,KATP通道)是受细胞内ATP浓度调控的一种内向整流钾通道。KATP的突变会导致很多遗传性代谢疾病。开户即送588可提现游戏7年1月12日,北京大学分子医学研究所、北京大学-清华大学生命科学联合中心研究员陈雷研究组与清华大学生命科学学院高宁研究组合作,在《细胞》(Cell)杂志解析了ATP敏感的钾离子通道(KATP)的中等分辨率(5.6Å)冷冻电镜结构,揭示了KATP组装模式,为进一步研究其工作机制提供了结构模型。

  • Structure of a eukaryotic cyclic-nucleotide-gated channel

    脊椎动物的视觉和嗅觉很大程度上与一类称为CNG离子通道的膜蛋白复合物有关,这类分子可以将光或者气味信号转变为生物电信号。开户即送588可提现游戏7年2月2日,清华大学生命中心李雪明研究组与哥伦比亚大学和昆明动物所的杨建研究组合作在《Nature》杂志发表研究论文,该工作通过原子分辨率冷冻电镜技术首次揭示了秀丽线虫的环核苷酸门控离子通道(cyclic-nucleotide-gated channel, CNG)TAX-4的全长结构。该工作首次解释了为什么CNG通道虽然具有电压门控离子通道的诸多特征但是不受膜电压调控的结构机理。

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