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科研进展

章新政课题组发展新算法突破冷冻电镜单颗粒重构的埃瓦尔德球极限

发布时间:2018年04月23日

  2018年4月19日,Nature Communications杂志在线发表了中国科学院生物物理研究所章新政课题组的研究论文"Pushing the resolution limit by correcting the Ewald sphere effect in single-particle Cryo-EM reconstructions",本论文计算了传统冷冻电镜单颗粒三维重构法在埃瓦尔德球效应下的重构分辨率极限并提出突破该极限的方法——分块重构算法。运用该算法配合对每个颗粒的欠焦量矫正,作为国际上首次,我们在冷冻电镜实际数据上突破埃瓦尔德球效应对单颗粒三维重构的分辨率限制,该工作使得大型病毒例如疱疹病毒和其他大型DNA病毒的高分辨结构生物学研究成为可能,为今后冷冻电镜实现单颗粒原子分辨率结构解析打下理论基础。

  埃瓦尔德球效应是指相干的电子散射波成像在一个球面上的效应。在现有的冷冻电镜成像理论中,将该球面视为一个平面,由此近似带来的分辨率极限称为埃瓦尔德球效应极限。过去提出多种矫正埃瓦尔德球效应的方法,包括欠焦量梯度背投影法(Jensen G. J et al., 2000),抛物面法(Leong P.A. et al., 2010),Side-band法(Russo C et al., 2018)等,它们在模拟数据或信噪比较高的无机材料数据中能较好地矫正埃瓦尔德球效应,但至今在实际的低信噪比冷冻电镜数据中却还没有展现出效果。

  为了克服埃瓦尔德球效应,根据在冷冻电镜成像原理中,埃瓦尔德球效应和景深效应等价的原理,我们提出了分块重构算法。该算法把三维样品拆分成多个小区域,计算小区域的局域欠焦量,对这些小区域进行局域优化和重构,从而得到更高分辨率的小区域密度。在利用我们前期发展的单个颗粒欠焦量测量方法较精确地测量每个病毒颗粒的欠焦量的条件下,我们对两个大病毒:尺寸约120nm的HSV-2及尺寸约190nm的PBCV-1进行分块优化及重构,重构分辨率分别从传统重构算法的4.0和4.2埃提高到3.1及3.5埃,均突破了对应的埃瓦尔德球极限。与此同时,分块重构方法也较好地帮助解决大病毒重构中的柔性问题。相关应用成果,3.1埃HSV-2核衣壳重构已经发表在Science杂志上(Yuan et al., Science 360, 48 (2018))。

  中国科学院生物物理研究所章新政研究员为本文的通讯作者,中国科学院生物物理研究所与中国科学技术大学联合培养学生朱东杰为本文第一作者,中国科学院生物物理所饶子和院士、王祥喜研究员,美国普渡大学Michael G Rossmann教授、Qianglin Fang博士,美国内布拉斯加大学James L Van Etten教授也参与了本课题。本项目得到中国科学院战略性先导科技专项(B类)、科技部国家重点研发计划以及中组部青年千人项目的支持。

  文章链接:https://www.nature.com/articles/s41467-018-04051-9

  图注:a,埃瓦尔德球效应;b,埃瓦尔德球效应导致的三维重构分辨率极限以及分块重构法得到的分辨率;c,同一个区域分块重构得到的电子密度图(左)以及传统方法得到的电子密度图(右)

  供稿:章新政课题组

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