生物三维电子显微学进入全新高速发展时期

生物三维电子显微学主要由三个部分组成——电子晶体学、单颗粒技术和电子断层成像术,其结构解析对象的尺度范围介于x射线晶体学与光学显微镜之间,适合从蛋白质分子结构到细胞和组织结构的解析。以冷冻电镜技术与三维重构技术为基础的低温电子显微学代表了生物电子显微学的前沿。低温单颗粒技术对于高度对称的病毒颗粒的解析最近已达到3．8A分辨率,正在成为解析分子量很大的蛋白质复合体高分辨结构的有效技术手段。低温电子断层成像技术目前对于真核细胞样品的结构解析已达到约40A的分辨率,在今后5年有望达到20A。这样,把x射线晶体学、NMR以及电镜三维重构获得的蛋白质分子及复合体的高分辨率的结构,锚定到较低分辨率的电子断层成像图像中,从而在细胞水平上获得高精确的蛋白质空间定位和原子分辨率的蛋白质相互作用的结构信息。这将成为把分子水平的结构研究与细胞水平的生命活动衔接起来的可行途径。     

“电子显微学与结构生物学”系列讲座（一）

生物电子显微学是结构生物学的重要分支,主要包括电子晶体学（electron crystallography）、单颗粒技术（single particle technique）,电子断层成像技术（electron tomography）,以及冷冻电镜技术（cryo-EM）,适于从分子到细胞各个结构层次的三维结构研究,与X-射线晶体学和核磁共振谱学一道,是结构生物学的重要研究手段。本次研讨会旨在分析该领域国际发展趋势,促进国内合作研究,整合国内资源,加强人才培养。     

冷冻电子显微学在结构生物学研究中的现状与展望

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得了多个重要的技术突破,正在成为结构生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.     

三维电子显微学自动化数据采集的进展

生物三维电子显微学在过去几年取得了巨大的突破,一些具有高对称性的病毒颗粒获得了准原子分辨率的结构,非对称性的生物大分子及其复合体的结构分辨率也有快速的提高。而要获得高分辨率的结构,获取足够多的高质量电子显微照片是其中的一个关键因素。近年来,自动化数据采集技术在电子断层成像术和单颗粒方法中都取得了很大的进展。其广泛应用将使结构测定更加快速并使结构分辨率提高到更高的层次。     

单颗粒电子显微学的研究进展

单颗粒电子显微学是一种新型的结构生物学技术和方法,一方面,其解析生物大分子复合体结构的分辨率日益提高,可以达到近原子分辨率,提供大蛋白分子或复合体的精细结构;另一方面,还可以解析生物大分子在不同功能状态下的结构及变化,对于揭示生物大分子复合体结构的作用机理具有重要作用。本文就单颗粒电子显微学的研究进展作一综述。     

心房特殊颗粒是一种细胞内钙库

研究心房钠尿肽分泌过程是否与心房特殊颗粒中钙的释放有关，需首先阐明心房特殊颗粒是否含有高浓度钙。本工作用电镜Ｘ射线显微分析技术定量地测定心房特殊颗粒中钙的浓度。新鲜大鼠心房经快速冷冻后作冷冻超薄切片，在ＪＥＭ－１２００ＥＸ分析电镜（附有ＬｉｎｋＡＮ１００００能量分散型Ｘ射线分光仪）下进行测定。１０次测定结果显示心房特殊颗粒含较高浓度的钙，平均值达８１±１５ｍｍｏｌ／ｋｇ，接近肌质网中钙的浓度。用Ｃａ２＋－ＡＴＰ酶电镜细胞化学技术证实酶反应产物存在于心房特殊颗粒的包膜上。推想颗粒包膜上的Ｃａ２＋－ＡＴＰ酶能将钙从胞质溶胶中推向颗粒内，并维持颗粒内的高钙浓度。因此认为心房特殊颗粒是心房肌细胞中的又一种细胞内钙库。     

肠道病毒B家族埃可病毒16（E16）型的病毒样颗粒的结构解析

肠道病毒B家族是引发人类病毒性脑炎和脑膜炎的重要病原体之一. 然而目前市场上尚缺乏针对此类病毒的特异性疫苗. 病毒样颗粒具有保留病毒真实结构特点、不含病毒核酸、不具备病毒复制与感染能力的特征，为开发有效、稳定且安全的新型疫苗提供了理想方案，特别是针对无囊膜的肠道病毒. 本研究中，我们基于昆虫细胞表达系统，经密度梯度离心等方法获得了埃可病毒16（E16）型的病毒样颗粒（virus-like particle; VLP）. 借助冷冻电镜单颗粒技术，我们成功将该病毒VLP解析到原子分辨率（2.8 ?），结构分析显示：与同源病毒E30的结构相类似，E16-VLP具备肠道病毒所特有的能够引起机体产生特异性中和免疫反应的重要结构特征，具有较大的疫苗开发价值. 我们所建立的方法在抗肠道病毒B家族通用疫苗的设计与开发上具有巨大潜力.     

第三届中国结构生物学学术讨论会成功召开

团结合作,走向前沿第三届中国结构生物学学术讨论会于2010年3月3日～6日在海南三亚万嘉戴斯度假酒店成功召开。此次会议由中国晶体学会生物大分子专业委员会、中国生物物理学会分子生物物理专业委员会、中国电子显微学会冷冻电镜分会联合主办,中国晶体学会大分子专业委员会承办。梁     

冷冻电镜技术的突破导致结构生物学发生革命性变化

最近,冷冻电镜技术的突破引起结构生物学发生了革命。这一革命导致2017年诺贝尔化学奖授予对冷冻电镜技术发展做出开创性贡献的3位科学家Jacques Dubochet、Joachim Frank和Richard Henderson。本文将综述冷冻电镜的发展历程,导致结构生物学革命的冷冻电镜关键技术,包括电镜、图像记录装置和图像处理算法方面的突破,以及中国科学家应用冷冻电镜取得的重要科学成就,涵盖基因表达/调控、蛋白质合成/降解、膜蛋白、免疫、病毒等相关蛋白复合体。最后,对冷冻电镜的未来发展方向进行展望。     

结构生物学研究方法的重大突破——电子直接探测相机在冷冻电镜中的应用

近年来,科学家应用冷冻电镜技术(cryo-EM)解析出了低对称性生物大分子的高分辨率(3~5魡)三维结构,并用其密度图直接进行了分子建模。与传统的X-射线和NMR方法相比,冷冻电镜技术具有适用于分子量较大的生物分子、样品不需结晶且用量很少等优势。尤其是电子直接探测相机(electron direct detection device,DDD)在冷冻电镜技术中的应用,使高分辨率的结构研究变得更加简单、应用更为广泛,是一个重大突破。文章介绍DDD相机的原理和技术优势,及其在解决冷冻电镜技术困难中的一些应用,进而展望了DDD相机可能给冷冻电镜技术应用带来的突破性进展。     

低温电子显微技术在膜蛋白结构研究中的应用和展望

介绍了蛋白质电子晶体学和单颗粒分析技术这两种低温电子显微技术在膜蛋白和膜蛋白复合体结构研究中的具体方法和近10~20年来的实际应用,并分别分析了这两种方法的优势和瓶颈。此外,还介绍了Amphipol替代、Streptavidin二维晶体锚定脂质体和纳米球包被脂质体等近两年来出现的新的用于低温电镜成像的膜蛋白样品制备方法。最后对膜蛋白的低温电子显微研究的未来发展做了展望。     

一种简单实用的猪颗粒冻精制作技术

本实验以年龄在2.5岁左右的长白种公猪的精液为材料,在比较了常用的Ⅰ号、Ⅱ号、Ⅲ号猪精液冷冻稀释液和Ⅰ号、Ⅱ号解冻液及冷冻———解冻程序对猪精液的冷冻效果后,依据解冻后精子的活力、质膜完整性等指标,发现:1、Ⅱ号冷冻稀释液的稀释效果(精子活力42.5±5.2精子弯尾率44.7±3.5)和Ⅱ号解冻液的解冻效果(精子活力43.8±2.6精子弯尾率36.2±4.3)明显较好;2、根据制作经验总结,发现了一种与以往资料上介绍的完全不同的猪精液冷冻颗粒制作方法,从而筛选出了一种简单实用的猪颗粒冻精制作技术。     

低温电镜技术及其在植物（动物）材料研究中的应用

通过一些实例介绍了高压冷冻,冷冻置换和冷冻超薄切片等低温电镜样品制备技术,并且与传统方法对照,说明低温电镜技术的优越性,其中,发菜（Nostoc flagelliforme)营养细胞的冷冻超薄切片（未经化学固定,脱水）所显示的超微结构更客观地反映了生物样品的自然生理状态。此外,应用高压冷冻和冷冻置换的免疫标记电镜技术,首次对发菜营养细胞中的DNA进行定位,明确了核区的位置及范围。     

蛋白酶体调节颗粒的结构生物学特征及其功能

蛋白酶体调节颗粒(regulatory particle,RP)参与调控许多重要信号通路的蛋白质降解,在维持细胞稳态中发挥重要作用.近年来,真核细胞蛋白酶体在癌症治疗中的作用机制及药物研发已引起了广泛关注,并有3种蛋白酶体抑制剂已用于临床治疗.随着蛋白酶体功能研究的不断深入,以及晶体学和冷冻电镜技术在其结构生物学研究中...     

丙型肝炎病毒颗粒研究进展

本文综述了近年来对丙型肝炎病毒（ＨＣＶ）颗粒的研究进展。在ＨＣＶ感染引起的肝炎组织标本、血液标本及培养细胞中,普通透射电镜下发现有病毒颗粒的存在。核内颗粒直径为２０￣２７ｎｍ;胞质内颗粒的大小报道各异,其结构包括核心和外壳两部分,核心平均直径４０ｎｍ。这种颗粒的特性尚未被阐明。近年在ＨＣＶ感染的培养细胞及黑猩猩ＨＣＶ肝炎模型中免疫电镜检查证明这种颗粒有病毒抗原性,但在人们ＨＣＶ肝炎肝组织中这种颗料     

山羊痘病毒形态发生过程的电子显微镜研究

用超薄切片、冷冻蚀刻和放射自显影等几种电镜技术研究了一种繁殖比较缓慢的痘病毒——山羊痘病毒(Goat pox virus)的形态结构及发生过程。冷冻蚀刻技术显示了发育早期的病毒粒子中已开始有核心和侧体的分化,在病毒的成熟与释放过程中,其形状大小及囊膜膜内微粒数量与分布发生一系列的变化。电镜放射臼显影术显示了毒浆结构与病毒发育的关系。在感染晚期病毒诱导的一种包涵体样结构中不含DNA。     

戊型肝炎病毒分子生物学及疫苗研究进展

戊型肝炎病毒（hepatitis E virus, HEV)是一种经肠道传播的非甲-非乙型炎病毒（RT-NANBH）,1983年Balagan等应用免疫电镜技术从一名志愿受试者粪便中观察到直径为27nm~30nm的病毒样颗粒,从而证实该病毒为一新型非甲-非乙型肝炎病毒。     

猪瘟病毒的形态结构与形态发生

建立了猪瘟病毒(CSFV)弱毒疫苗Thiverval株(T株)与中 国兔化弱毒疫苗C株在MPK细胞中的感染模式。使用MPK细胞增殖CSFV,其病毒滴度明显提高,从而为应用电镜超薄切片技术研究猪瘟病毒的形态结构与形态发生提供了可能性。猪瘟病毒呈圆形颗粒,直径约为70nm。其内部是电子致密的核心,直径约为40nm,有时呈六角形;外有包膜包裹。在CSFV感染的MPK细胞质中,可观察到处于不同发育阶段的子代病毒粒子。此外,猪瘟病毒的感染能够引起某些宿主细胞超微结构上的变化。     

包涵体——犬传染性肝炎病毒形态发生学的重要特征

用免疫金电镜技术和电镜原位杂交技术观察了犬传染性肝炎病毒感染的犬肾传代细胞中的病毒包涵体,发现这些包涵体具有以下三种基本形态：1．松散均质包涵体;2．副结晶色包涵体;3．致密颗粒包涵体。其中前二种包涵体能被免疫金标记,它们是尚未成病毒粒子的病毒蛋白或是病毒装配后乘余的病毒蛋白,后一种包涵体能被病毒DNA探针标记,是病毒核酸合成过剩而堆积起来形成的产物。此外,本文还描述和讨论了包涵体与细胞及病毒发育成熟的关系。     

始于努力,续于真诚,臻于共赢

2010年第7期,<学报>为在生物物理研究所举办的电镜三维重构学习班出版了一期专刊,其中除了两篇与电镜三维重构相关的研究论文之外,在朝仡夕拾栏目发表了北京大学医学部尹长城老师撰写的一篇介绍运用电子显微镜研究生物人分子起源及进展的文章,另外四篇综述分别讨论了电镜三维重构、单颗粒电镜、冷冻电镜断层成像技术及三维电镜自动化...