将冷冻电镜的分辨率推向极限

　　

生物通报道：今年两项新研究，将单颗粒冷冻电镜的分辨率推向极限，展现了更精细的蛋白结构。

1995年，Richard Henderson曾作过一个大胆的预测：在理想条件下，用冷冻电镜（cryo-EM）检测蛋白结构，应该可以达到3 Å的分辨率。现在，这个预言很快就要实现了。今年发表的两项冷冻电镜研究，采用了新型检测设备，将cryo-EM的分辨率推向极限。

首先，英国剑桥MRC分子生物学实验室的Sjors Scheres，在eLife杂志上发表文章，解析了酿酒酵母80S核糖体的结构，分辨率达到4.5 Å。作为一个非对称性的颗粒，核糖体对于cryo-EM技术来说是一个比较困难的目标。Sjors Scheres领导研究团队，通过FEI Falcon检测器，成功获得了该蛋白的高分辨率结构。

而后，加州大学的程一凡（Yifan Cheng）博士与David Agard，共同解析了嗜酸热原体菌20S核糖体的结构，将cryo-EM的分辨率提高到3.3 Å。文章发表在Nature Methods杂志上。

据耶鲁大学医学院的Fred Sigworth教授介绍，在使用cryo-EM进行高分辨率成像时，分辨率一到10–15 Å，蛋白就呈现为模糊不清的一团。这主要有两个原因：用高能电子束照射样本，会引起蛋白移动，使图像模糊。另外，高能电子束的照射还会导致样本的降解。然而，一旦降低电子束的能量，所得图像的信噪比就会过低。

捕捉图像的检测器也会影响cryo-EM分辨率。对于cryo-EM来说，最好的检测方法是卤化银成像，但卤化银难以收集数以千计的图像，因此并不实用。目前，人们大多采用的是CCD数码相机。然而，相机捕获的是光线而不是电子，信号转换会带来分辨率的损失。

两项新研究都采用了新的检测设备，直接检测电子，能够获得更清晰的图像和更高的信噪比。作者们还将检测器与图像处理算法结合起来，以矫正电子束引起的蛋白移动。

程一凡团队所使用的直接检测相机称为Gatan K2 Summit，该相机帮他们解析了700 kDa的20S蛋白酶体，达到了3.3 Å的分辨率。

在此之前，cryo-EM达到的最高分辨率，是针对高度对称的病毒，病毒颗粒比蛋白酶体大100倍。程一凡团队进一步提高了cryo-EM的分辨率，使其可以用于300 kDa的蛋白，这样cryo-EM就可以实现对膜蛋白的成像。（传统的X射线晶体衍射难以对膜蛋白进行成像。）

“我们离cryo-EM的理论极限已经非常近了，” Sigworth说。

 

（生物通编辑：叶予）

生物通推荐原文：

Ribosome structures to near-atomic resolution from thirty thousand cryo-EM particles

Electron counting and beam-induced motion correction enable near-atomic-resolution single-particle cryo-EM