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。     

研发动态

<正>清华大学解析出基因剪接的基础结构清华大学生命科学学院施一公研究组近日得到近原子分辨率的剪接体三维结构和剪接体对前体信使RNA执行剪接的基本工作机理,从而将分子生物学"中心法则"在分子机理的研究上大幅度向前推进。成果以两篇背靠背研究论文形式发表在《科学》杂志。第一篇文章题为《3.6埃的酵母剪接体结构》,报道了通过单颗粒冷冻电子显微镜(冷冻电镜)方法解析的酵母细胞剪接体近原子水平分辨率的三维     

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。     

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。     

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...     

君欲善其事,必先利其器!——2017年诺贝尔化学奖评介北大核心CSCD

2017年诺贝尔化学奖授予三位冷冻电镜领域的学者瑞士洛桑大学的退休荣誉教授Jacques Dubochet、美国哥伦比亚大学的美国科学院院士Joachim Frank和英国剑桥MRC分子生物学实验室的英国皇家学会院士Richard Henderson,奖励他们对冷冻电镜技术的发展做出的原创性贡献。     

兔组织工程同种异体气管支架三种制备方法的比较

目的:探讨深低温冷冻-酶洗法制备的气管支架在去除抗原性、维持生物力学及保护细胞外基质方面的效果。方法:健康新西兰兔24只随机分为气管未处理作为对照A组,深低温冷冻法处理B组,玻璃化法处理C组,深低温冷冻-酶洗法D组,各组样本数均为6。处理后将各组标本行HE染色后光镜观察,戊二醛固定后电镜扫描,并测量气管最大拉伸力、破裂力和变异率等生物力学性能。结果:组织学观察显示对照A组有大量完整的粘膜上皮细胞;B组和C组可见部分气管粘膜上皮细胞;D组标本未见气管粘膜上皮细胞,且细胞核碎裂。电镜显示A、B、C、D组气管支架可见丰富的细胞基质,未暴露胶原纤维。组间两两比较,气管支架的最大拉伸力、最大破裂力和变异率均无统计学差异。结论:综合组织学、扫面电镜和生物力学分析,应用深低温冷冻-酶洗法制备气管支架D组可以有效地去除抗原,维持生物力学性能,并具有较完整的细胞外基质。     

招聘启事

<正>生化与细胞所丛尧研究组招聘博士后丛尧研究组主要应用冷冻电镜(cryo-EM)技术从事蛋白质质量控制及表观遗传中重要生物超大分子复合体的结构与功能研究(介绍见http://www.sibcb.ac.cn/Pl.asp?id=141)。现因工作需要,面向社会公开招聘博士后研究人员1名。所在的国家蛋白质科学中心·上海配备一流的冷冻电镜设施,包括配有直接     

冷冻电镜密度图可视化软件VAT4M

基于冷冻电镜三维密度图的特征分析,研究开发了冷冻电镜密度图可视化软件VAT4M(Visual Analysis Tools for Macro-Molecule Map and Model),实现了对三维冷冻电镜密度图的可视化分析,其主要功能包括密度图和分子模型的可视化、密度图的分割和晶体结构在密度图中的匹配。在可视化方面,在实现等值面可视化方法的同时还实现了体绘制可视化模式。对于结构分析,VAT4M提供了自动分割工具,和所见即所得的分割浏览器。同时,VAT4M还提供了极值吸收法与梯度法相结合的自动匹配方法,而且,对于具有对称性的密度图,可根据一个亚基的匹配结果,迅速得到其准原子模型。最后给出了若干应用实例。实验表明,本平台对冷冻电镜密度数据具有良好的可视与分析功能。     

科学出版社新书

病毒的电子显微学技术张景强著主要介绍研究病毒的各种电子显微学方法以及最新进展和取得的成果,内容包括:病毒样品的超薄切片技术,病毒的分离、纯化和病毒样颗粒的组装,病毒免疫电镜技术,生物材料的高分辨率电子显微技术,冷冻电镜单颗粒技术和冷冻电镜电子断层成像技术等。理论介绍尽量做到浅显易懂,书中示例也取自经典的或者最近几年的科研成果。此外,在绪论中简     

Nature发文揭示真核生物DNA复制解旋酶高分辨三维结构

<正>2015年7月29日,清华大学高宁研究组和香港科技大学戴碧瓘研究组共同在Nature以长文形式在线发表研究论文,首次报道真核生物DNA复制起始与延伸过程中DNA解旋酶核心组分MCM2-7复合物的3.8埃高分辨率冷冻电镜结构,并以此为基础对DNA复制起始时MCM2-7复合物的作用机理进行了分析。     

GM3与Ca2+-ATP酶的重建及其冷冻断裂电镜观察

应用生物膜的分离与重建技术, 将GM3、大豆磷脂与肌质网Ca²⁺-ATP酶共同重建在脂质体上, 酶活力明显增加. 经负染、冷冻断裂复型后电镜等形态学方法证实形成的脂酶体囊泡封闭性好,脂酶体上Ca²⁺-ATP酶蛋白颗粒均匀、直径增大.     

扫描电镜乙醇冷冻制断器

1980年上海生理所电镜室仿效日本EIKO厂生产的TF-Ⅰ型冷冻割断装置,用钢精锅试制了以DMSO法为主的冷冻割断器,促进了扫描电镜冷冻技术的普及提高。笔者在田中敬一教授乙醇冷冻剖断法原理的基础上,设计并加工制作了简易乙醇冷冻割断器(见图1a)。     

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     

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。     

甲烷氧化细菌的电子显微镜观察

采用冷冻蚀刻、超薄切片和负染色电镜技术,对 Methylomonas sp. 761M和Methylosinus sp．81Z两抹甲烷氧化细菌的细微结构进行了观察。在冷冻蚀刻中,缅胞从质膜和细胞壁外膜的中央劈开,暴露出四个断裂面。各个断面的结构有所不同,显示出颗粒、小杆、乳状突起、小坑和光滑区等结构。冷冻蚀刻揭示的多层结构,与超薄切片和负染色观察结果一致。此外,对甲烷氧化细菌细胞壁表面图案,细胞内膜结构进行了观察。     

综述: 冷冻超分辨光电融合成像技术 ——新挑战，新机遇

冷冻超分辨光电融合成像技术近年来发展迅速,该技术结合了荧光显微镜特异性标记与冷冻电镜超高分辨率的优势,成为细胞原位结构研究的新手段,有望发展成为下一代成像技术.本文从发展背景、应用领域等几个方面,介绍了冷冻超分辨光电融合成像技术的概况及未来发展前景.     

综述: 冷冻电镜技术在表观遗传学研究中的应用

染色质装配、修饰和重塑复合体,以及它们和核小体、染色质等一起形成的超大分子复合体的精细结构解析,对于在原子水平揭示表观遗传信息建立、维持和调控的分子机制至关重要．近年来,迅速发展的冷冻电镜三维重构技术对于解析这些多亚基、大分子质量、柔性超大分子复合体的结构带来了很好的机遇．本文综述了冷冻电镜三维重构技术在表观遗传学相关的结构研究领域中的一些应用和进展．     

冷冻超分辨光电融合成像技术——新挑战,新机遇

冷冻超分辨光电融合成像技术近年来发展迅速,该技术结合了荧光显微镜特异性标记与冷冻电镜超高分辨率的优势,成为细胞原位结构研究的新手段,有望发展成为下一代成像技术.本文从发展背景、应用领域等几个方面,介绍了冷冻超分辨光电融合成像技术的概况及未来发展前景.     

细胞及部分细胞器电镜图像

为配合高中《生物》和《生理卫生》“细胞”部分的教学,选择了四张细胞及部分细胞器的电镜图像(见封三)供教师参考。图Ⅰ细胞冷冻蚀刻电镜图像:图为兔胃贲门腺细胞的劈裂面(立体图像)。N为细胞核,可见其表面有许多散在的圆形核孔((?));核周围有大量粗面内质网(RER),核左侧有一线粒体(M);在核上方的细胞质中,含有密集的分泌颗粒(SG),其中有的已被断开,有的则为颗粒表面。图的左下方,可见该细胞的界限((?))。×9,600 图Ⅱ细胞表面冷冻蚀刻电镜图像:图为胃粘膜上皮细胞的表面,其PF面有比较密集的膜内微粒,EF