螺旋组装体电镜三维重构.pdfVIP

生物物理学报 2013年 12月 第29卷 第 12期：879．898 ACTA BIOPHYSICA SINICA Vo1．29 No．12 Dec．2013：879．898 WWW．cjb．org．cn 螺旋组装体的电镜三维重构 张 艳 ， 孙 飞 中国科学院生物物理研究所，生物大分子国家重点实验室，北京 100101 收稿 日期：2013．11-29；接受 日期：2013—12—05 基金项目：国家 自然科学基金青年基金项 目， 973”计划项 目(2011CB910301)，青年 “973”计 划项 目(2014CB91O700) 通讯作者：孙飞，电话：(010传真：(010E-mail：feisun@ibp．ac．ca 摘要：低温电镜三维重构技术近年来得到飞速发展，其在分析生物大分子复合物的结构和功能 中起着重要作用。低温 电镜三维重构技术主要包括电子断层三维重构技术、电子晶体学及单颗 粒三维重构技术。由于无需结 晶，且所能达到的分辨率较高，目前 ，单颗粒三维重构技术 已经 成为电镜三维重构领域的主流技术。在用单颗粒三维重构技术进行结构解析时，有一类特殊的 研究对象，即螺旋组装体 ，如烟草花 叶病毒 (tobaccomosaicvirus，TMV)、微管和微丝 (microfilament)、艾滋病病毒 1型 (HIV一1)衣壳蛋 白等 ，对这类螺旋组装体 的结构进行三维重 构不是很容易，涉及诸多物理和数学的概念。本文重点介绍螺旋组装体的基本重构原理，包括 螺旋组装体的数学描述 、衍射指数的推导和物理意义、螺旋点阵和真实螺旋组装体Fourier变换 间的关系，以及螺旋对称参数 的测定和计算等。在此基础上 ，文章综述 了螺旋组装体的三维重 构算法，主要包括频率空间的Fourier-Bessel重构方法和实空间的迭代单颗粒重构方法。最后， 文章 以与细胞极性发生相关的蛋 白Par-3的N端结构域 Par-3NTD为实例 ，详细介绍 了Par-3 NTD螺旋组装体的实空间迭代单颗粒重构方法。 关键词：螺旋组装体；低温 电镜 ；三维重构；Fourier-Bessel变换 ；实空间迭代 的螺旋三维重构 算法 中图分类号：Q71 IoI： 】0．3724／SP．J．】260．2013．30159 引 言 螺旋在 日常生活中很常见，比如弹簧、盘旋楼梯等都具有螺旋结构。这种螺旋结构体 在生物体中一样普遍存在，且在行使生命活动的过程中具有重要作用。沃森和克里克 1953 年发现的DNA双螺旋结构及蛋 白质中广泛存在的基本结构组成部分 螺旋，都是螺旋结 构在生命体中的典型代表。组成细胞骨架的纤丝是 由微管[ 、肌动蛋 白s【、肌凝蛋 白[8~10] 等球状蛋 白按照螺旋点阵组装的。类似的，组成细胞外纤维的鞭毛 l【】】和菌毛[12,13]，以及细胞 外基质的胶原蛋 白㈣等，也是由组成蛋 白以螺旋结构的形式组装而成的。有些病毒，比如 艾滋病病毒 1型衣壳蛋白也可以组装成螺旋结构 5【,1司。这些例子表明了螺旋组装体的一个重 要的共同性质：由单个的基本构造单元组装成一个可延长的、纤维状的结构。这种纤维结 构的性质则由螺旋体的空间几何性质及相邻基本构造单元间的相互作用关系来确定 圳【。 879 生物物理学报 2013年 第29卷 第 12期 近几十年来，已经有大量的相关研究揭示了螺旋组装体的几何结构，并发展了相应的 算法 以解析螺旋组装体 的结构 。其 中最主要 的算法可 以分为两类 ：一类是基于 Fourier-Bessel变换的Fourier-Bessel重构 ，该方法主要基于Cochran等 1952年对螺旋组 装体衍射性质的研究2[0,2”，根据Fourier空间衍射信息，确定相应 Bessel函数阶数的衍射值， 然后再进行逆 Fourier变换，得到实空间的螺旋组装体的结构[22--25]；另一类是基于单颗粒三 维重构的实空间迭代 的螺旋三维重构算法 fiterativehelicalrealspacereconstruction， IHRSR)2[6,27]。尤其是 IHRSR算法发展 以后 ，关于螺旋组装体的结构研究层 出不断 f如 F—actiniC]、Dynamin[29]、EspAp0】等等)