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2017年度诺贝尔化学奖——冷冻电镜技术PPT制作：云南大学生命科学学院2017级研究生The Nobel Prize in Chemistry 2017Jacques DubochetJoachim FrankRichardHendersonfor developing cryo-electron microscopy for the high-resolution structure determination of biomolecules insolution.1科学背景冷冻电镜cryo-EMX射线晶体学核磁共振X-rayNMRcrystallography结构生物学科技创新驱动学科发展2生物大分子结构解析的技术结构功能生物分子的原子排布蛋白功能X射线晶体衍射核磁共振（NMR）蛋白质数据库的十万多条蛋白词目里，超过90%的蛋白结构是利用X射线晶体衍射技术得到的3缺 陷X射线晶体衍射核磁共振需要将纯化后的生物样品进行晶体生 长能解析在溶液状态下的蛋白质结构晶体生长时间久复杂的大分子物质难以获得晶体蛋白质在溶液中往往结构不稳定而难以获取稳定的信号难以提取到关于蛋白质动态下的有价值信息4另一种方式：电子显微镜电子显微镜能够分辨非常微小的结构传统显微镜 —— 一束光线电子显微镜 —— 一束电子束流获得高分辨率图像所需的强烈电子束流会破坏生物材料样品强度降低成像质量下降局限寻找新的成像技术需要真空腔，这样的环境使生物分子周围的水会迅速挥发，导致结构崩塌5突 破? 1968 年，剑桥大学 MRC 分子生物学实验室， Aron KlDeRosier在Nature上发表了一篇关于利用电子显微镜照片重构噬菌体病毒尾部三维结构的论文，提出并建立了电子显微 三维重构 的一般概念和方法。 Aron Klug 因此获得 1982 年诺贝尔化学奖。? 1974 年，加州大学伯克利分校的 Robert Glaeser 和他学Ken Taylor 首次提出冷冻电镜，并测试了冷冻含水生物样品的电镜成像，目的在于降低高能电子对分子结构的损伤，并因此实现高分辨成像。—— 冷冻电镜的雏形6Richard Henderson成功地使用电子显微镜得到了原子层面分辨率的蛋白质三维结构图像，有力证明了用电子显微镜进行生物分子成像的潜力。细菌视紫红质三维立体结构图像（7?）原子级分辨率的细菌视紫红质结构7Joachim Frank完成单颗粒三维重构算法及软件Spider冷冻电镜单颗粒分析的鼻祖冷冻电镜发展的基础8Jacques Dubochet用葡萄糖保护亨德森迪波什（不能普遍使用）对生物样品进行玻璃化重要贡献：在真空环境下使生物分子保持自然形状9冷冻电镜技术样品冷冻 冷冻成像 三维重构保持蛋白溶液 态结构获取二维投影图从二维图像通过计算得到三维密度图像10诺奖级助手——冷冻电镜冷冻电镜技术能将运动中的生物分子进行冷冻，并在原子层面上进行高分辨率成像。冷冻电镜的发展就像是一场猛烈的革命这项技术将生物化学带入一个崭新时代。bc 寨卡病毒a 一种控制昼夜节律的蛋白质复合体（2017年诺贝尔生理及医学奖）B 一 种可感知耳中压力变化、使人听到声音的蛋白质（自2015年确诊第一例以来，全球范围内超过150万人被感染）11冷冻电镜发展中的里程碑2013年加州大学旧金山分校（UCSF ）程亦凡和 David Julius 的研究组首次得到膜蛋白TRPV1的3.4?近原子级别的高分辨率三维结构（Nature上）。TRPV1蛋白的三维结构? 近原子分辨率的炎症复合体结构? 30nm染色质左手螺旋高级结构? 3.4?的人源Y分泌酶复合物结构12冷冻电镜应用的迅猛发展（a）不同年份中利用冷冻电镜单颗粒重构技术能够达到的最高分辨率（b）通过冷冻电镜技术进行的研究成果在不同杂志上发表的论文数13冷冻电镜+清华大学=CNS2015年8月21日，施一公团队在《科学》（Science）同时在线发表了两篇研究长文，《3.6埃的酵母剪接体结构》和《前体信使RNA剪接的结构基础》。文章介绍了通过单颗粒冷冻电子显微技术（冷冻电镜）解析的酵母剪接体近原子分辨率的三维结构。14冷冻电镜+清华大学=CNS人源剪接体与酵母剪接体的比较2017年5月12日，《细胞》（Cell）在线发表了题为《人源剪接体的原子分辨率结构》。这是第一个高分辨率的人源剪接体结构，也是首次在近原子分辨率的尺度上观察到酵母以外的、来自高等生物的剪接体的结构，进一步揭示了剪接体的组装和工作机理，为理解高等生物的RNA剪接过程提供了重要基础。15诺奖级助手终获诺奖特点：不需要结晶且需要的2015年《自然》杂志旗下子样品量极少，即可迅速解析刊 Nature Methods 将冷冻大型蛋白复合体原子分辨率电镜技术评为年度最受关注的技术。三维结 构