傾斜的顯微鏡技術(shù)更好地揭示了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)
在冷凍EM實驗期間將蛋白質(zhì)樣品置于電子顯微鏡下的常規(guī)方法在獲得蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的最佳圖像時可能會失敗。根據(jù)Salk領(lǐng)導(dǎo)的一項新研究,在某些情況下,傾斜一片冷凍蛋白質(zhì) - 在顯微鏡下放置10到50度 - 提供更高質(zhì)量的數(shù)據(jù),并可以更好地了解各種疾病??茖W(xué)家Dmitry Lyumkis。
“人們之前曾試圖實施傾斜,但存在很多挑戰(zhàn),”Salk研究所的Helmsley-Salk研究員,新作品的高級作者Lyumkis在7月3日出版的“自然方法”雜志上說。“我們用新的方法消除了許多這些問題。”
Cryo-EM或低溫電子顯微鏡是透射電子顯微鏡的一種形式,其中樣品在顯微鏡下成像之前快速冷卻至低于冰點。與通常用于確定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的其他方法不同,冷凍EM使蛋白質(zhì)保留在其成像的天然構(gòu)象中,這可以揭示有關(guān)結(jié)構(gòu)的新信息。了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)是開發(fā)新的疾病治療方法的重要一步,例如艾滋病病毒。
長期以來,研究人員一直認(rèn)為,蛋白質(zhì)在整個冷凍網(wǎng)格中采用隨機(jī)構(gòu)象,為冷凍EM實驗做好準(zhǔn)備,這意味著通過拍攝足夠的圖像,研究人員可以從所有成像方向整合出蛋白質(zhì)形狀的完整3D圖像。但是對于許多蛋白質(zhì)來說,這種方法似乎不足,而且部分蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)仍然缺失。
“研究人員開始認(rèn)為冷凍EM網(wǎng)格上的蛋白質(zhì)畢竟不采用隨機(jī)構(gòu)象,而是以優(yōu)選方向粘在樣本網(wǎng)格的頂部或底部,”Lyumkis說。“因此,我們可能無法全面了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。更重要的是,這種行為可以完全禁止選擇蛋白質(zhì)樣品的結(jié)構(gòu)測定。”
為了理解這個問題,想象一下,試著看看十幾個錫罐的陰影來弄清楚它們的形狀,但只能看到圓圈,因為所有的罐頭都是直立的。通過制作光束或電子束,在低溫EM的情況下,以一定角度撞擊樣品,您將能夠更好地看到真實的形狀。
當(dāng)研究人員過去曾試圖在顯微鏡下傾斜樣品時,它們受到分辨率不佳的限制:一個角度意味著電子束必須穿過更厚的網(wǎng)格。當(dāng)樣本傾斜時,樣本也更有可能在凍結(jié)網(wǎng)格內(nèi)移動,從而模糊了數(shù)據(jù)。從技術(shù)上講,分析傾斜樣品的數(shù)據(jù)也更具挑戰(zhàn)性,因為低溫EM方法的設(shè)計假設(shè)含有蛋白質(zhì)的網(wǎng)格始終與顯微鏡的距離相同。
為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn),Lyumkis和他的同事改變了用于創(chuàng)建低溫EM網(wǎng)格的材料,記錄了他們的數(shù)據(jù)電影而不是靜態(tài)圖像,并開發(fā)了新的計算方法來分析信息。
當(dāng)他們測試流感血凝素蛋白的新方法時,該團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)傾斜樣本給出了更完整的數(shù)據(jù)集,這是一種眾所周知的硬蛋白,可以用冷凍EM來表征。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)樣品是扁平的時,典型的算法會為蛋白質(zhì)引入假陽性形狀,而實驗數(shù)據(jù)則沒有這種形狀。當(dāng)它傾斜時,情況并非如此。
“由于我們傾斜時數(shù)據(jù)采集的幾何形狀,我們填充了更多的數(shù)據(jù)表征分子,讓我們更完整地了解蛋白質(zhì)的形狀”Lyumkis說。
Lyumkis和他的團(tuán)隊開發(fā)的算法 - 包括分析低溫EM實驗是否會引入不良數(shù)據(jù)的方法,以及解釋傾斜實驗的方法 - 現(xiàn)在已公開可用。他們希望其他研究人員開始使用它們,并且它成為低溫EM結(jié)構(gòu)驗證的標(biāo)準(zhǔn)度量標(biāo)準(zhǔn)(因為大多數(shù)實驗得出的結(jié)構(gòu)在不同程度上都會丟失信息)。
“我們現(xiàn)在關(guān)注的一個想法是,數(shù)據(jù)收集是應(yīng)該總是以傾斜而不是傳統(tǒng)的方式進(jìn)行,”Lyumkis說。“它不會受到傷害,它應(yīng)該會有所幫助。”
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