应用单张冷冻电镜显微照片解析近原子分辨率的单颗粒三维重构.pdfVIP

第４４卷第１期电子显微学报Ｖｏｌ４４，Ｎｏ１

２０２５年２月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｉｎｅｓｅＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙＳｏｃｉｅｔｙＦｅｂ．，２０２５

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文章编号：１０００６２８１（２０２５）０１００９１１５

应用单张冷冻电镜显微照片解析近原子分辨率的

单颗粒三维重构

１，２，３＃１，２，３＃１，２，３∗

杨梓，范潇，王宏伟

（１．清华大学生命科学学院，北京１０００８４；２．北京市生物结构前沿研究中心，北京１０００８４；

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３．清华北大生命科学联合中心，北京１０００８４）

摘要冷冻电镜单颗粒三维重构方法解析生物大分子结构通常需要收集大量的照片进行分析。本工作证明

当冷冻样品质量足够好时，仅使用单张冷冻电镜显微照片上的蛋白颗粒图像就可以获得近原子级分辨率的单颗粒

三维重构密度图，并分别解析了ａｐｏｆｅｒｒｉｔｉｎ和２０Ｓ蛋白酶体的三维结构。研究发现，由于蛋白分子颗粒在样品中Ｚ

轴不同位置的分布和电子显微镜的像散作用对单张照片中衬度传递函数零点缺失形成了综合补偿效应，从而在单

颗粒三维重构中有效恢复了空间频率全域内的结构信息。本研究通过分析不同累计曝光剂量数据的三维重构发

现，保存无损高频信息以及足够角度有哪些信誉好的足球投注网站的低频信息的最低辐照剂量其实远低于当前通用的累积曝光量。据此，

本工作估算了完成正确高分辨率三维结构解析所需要的最低辐照剂量以及最小颗粒数。本工作加深了我们对冷

冻电镜数据信号在图像中保存的理解，为开发更好的冷冻电镜数据采集策略、更好地保存完整高频信号提供了实

验上的启示。

关键词冷冻电镜（Ｃｒｙｏ⁃ＥＭ）；单颗粒分析（ＳＰＡ）；衬度传递函数（ＣＴＦ）；信噪比（ＳＮＲ）

中图分类号：Ｑ６；Ｑ３３４；Ｑ３３６文献标识码：Ｂ

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Ｄｏｉ：１０３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００６２８１２０２５０１１１

近年来，随着直接电子探测器的技术突破以及十年间取得了飞速发展，辅助了更多近原子分辨率

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三维重构软件的快速发展，冷冻电镜（Ｃｒｙｏ⁃ｅｌｅｃｔｒｏｎ生物大分子结构的解析［９１２］。

ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，Ｃｒｙｏ⁃ＥＭ）单颗粒分析领域的技术进步尽管该技术取得了众多突破性进展，但生物大

将这一方法推向结构生物学的前沿，使其能够以近分子的辐照敏感性以及低剂量成像显微图像的低

原子分辨率直接观测生物大分子接近生理状态下［１３］

信噪比仍然限制了生物样品的结构解析能力和

［１］

的结构。冷冻电镜技术迎来了“分辨率革命”时效率。随着现代冷冻电镜数据收集和图像处理效

［２］［３］

代，逐渐成为主流的结构解析方法。冷冻电镜率的不断提高，单颗粒分析方法可以通过提升大数

单颗粒分析技术不需要将目的蛋白结晶，通过直接据集中颗粒图像数目，进行求和平均获得更高信噪

对分子成像进行高分辨率的结构测定，适用于生物