標配Titan Krios G3i冷凍電鏡解析原子解析度結構

2020-09-05 BioArt

責編 | 酶美


單顆粒冷凍電鏡技術已成為繼X-射線晶體學之外，用來表徵生物學樣品高解析度結構的常用工具。截至目前，單顆粒冷凍電鏡技術已經解析了4000多個解析度為近原子水平（2～4 Å）的生物樣品【1】。單顆粒冷凍電鏡技術也逐漸成為解析膜蛋白、大型蛋白複合物結構的首選方法，一方面是因為它不需要晶體，另一方面是因為它可以處理具有不同組成和/或不同構象的生物樣品。然而為了能夠用於更精確的藥物設計，則需要更高的解析度來分析精細的化學組成，這就要求結構要達到原子解析度級別（好於1.5 Å）。


2020年8月19日，美國史丹福大學生物工程系Wah Chiu課題組在bioRxiv發表了預印版論文Resolving Individual-Atom of Protein Complex using Commonly Available 300-kV Cryo-electron Microscopes。文中介紹了研究人員利用市場上標準配置的300 kV Titan Krios G3i結合K3（Gatan）或Falcon4 （Thermo Fisher）相機，解析了解析度分別為1.34 Å和1.36 Å的載鐵蛋白的結構。原子解析度的結構清晰地展示了胺基酸側鏈中的每個重原子（如C、N、O和S）、並隱約可以看到氫原子的存在和位置,另外研究人員還發現了某些殘基的具有多個旋轉異構構型 （圖1）。



近年來，高分辨的冷凍電鏡結構越來越多，這就使得開發有效方法來評估冷凍電鏡所獲得的高解析度結構細節成為必要。今年早些時候Wah Chiu課題組開發了Q-score軟體【2】，用於評估解析度高達1.5 Å的冷凍電鏡結構。在本研究中，科研人員進一步改進了Q-score方法，使其適用於解析度可達1 Å的結構數據。藉助新的Q-score系統，研究人員評估了解析度從1.01-1.75 Å載鐵蛋白的結構，跟預期相符，解析度越高，Q-score的值也就略高。通過結構對比發現，1.01-1.36 Å的結構都可以看到原子細節，這種結構細節的呈現程度明顯好於1.75 Å結構（圖2）。此外，研究人員還開發了另外兩套評估冷凍電鏡結構的工具，分別為探尋水分子密度和B』因子。前者可以從高分辨冷凍電鏡結構中直接獲得水分子的密度信息，而後者可以將攜帶B』因子信息的原子模型通過模擬轉換得到與冷凍電鏡結構相匹配的密度，以更能真實反映原子模型的解析度。


文章的最後，研究人員提醒大家類似載鐵蛋白這種具有高度對稱，高度穩定的生物樣品可以很容易的獲得原子解析度結構。然而絕大多數生物樣品相對不穩定，或具有動態結構或具有多種構象，當前階段並不容易解析到原子解析度。相信不久的將來，隨著生物樣品製備方法的提高，電鏡硬體、軟體，以及重構軟體的進一步發展，將會有更多的生物樣品被解析到原子解析度，從而促進基於結構進行藥物設計的精確性。

本研究中的載鐵蛋白樣品由中科院生物物理所的孫飛教授和黃小俊博士提供。史丹福大學生物工程系（Department of bioengineering）的張凱銘博士為本文第一作者，Wah Chiu教授和張凱銘博士為本文共同通訊作者。Grigore Pintilie博士, 李珊珊博士, 以及Michael F. Schmid教授為本研究做出了重要貢獻。

原文詳見：

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.08.19.256909v1


參考文獻


1. Wlodawer, A., and Z. Dauter. 2017. 「`Atomic Resolution』: A Badly Abused Term in Structural Biology.」Acta Crystallographica Section D: Structural Biology 73 (4): 379–80.

2. Pintilie, Grigore, Kaiming Zhang, Zhaoming Su, Shanshan Li, Michael F. Schmid, and Wah Chiu. 2020. 「Measurement of Atom Resolvability in Cryo-EM Maps with Q-Scores.」 Nature Methods 17 (3): 328–34.

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