清華新聞網(wǎng)6月5日電 冷凍電子斷層成像（cryo-electron tomography, cryoET）技術可以觀察細胞中生物大分子的原位結構，近年來受到了廣泛關注。生物樣品在冷凍電鏡成像的過程中受到襯度傳遞函數(shù)（contrast transfer function,CTF）的影響，無法直接反映原始的結構信息。在實現(xiàn)高分辨率的蛋白質結構解析和電鏡圖像質量評估的過程中，依托CTF準確估計離焦量參數(shù)，對后續(xù)消除CTF的影響十分重要。
目前常用的離焦量估計方法通常依托圖像功率譜中的CTF衍射環(huán)（Thon ring）進行估計。冷凍電子斷層成像傾轉系列圖像信噪比非常低，且由于樣品傾轉引起照片中的離焦量隨樣品高度連續(xù)變化。這些因素導致高傾轉角度下拍攝的電鏡照片功率譜中沒有清晰的CTF衍射環(huán)，導致難以精確估計樣品的成像離焦量。此外，通過冷凍聚焦離子束（cryo-focused ion beam, cryoFIB）減薄方法制備的薄片樣品與樣品臺之間常常存在一個十幾度的夾角，稱為絕對傾角偏移。該偏移會影響照片局域離焦量的估計，進而影響整體離焦量估計結果的準確性。
5月31日，清華大學生命科學學院李雪明副教授課題組和電子工程系沈淵教授課題組聯(lián)合在《結構》（Structure）雜志在線發(fā)表研究論文，題目為“基于冷凍電子斷層成像傾轉系列照片的離焦量聯(lián)合估計方法”（Tilt-series-based joint CTF estimation for cryo-electron tomography）。該論文報道了一種基于全部傾轉系列照片的聯(lián)合估計方法（圖1）。該方法首先利用整套傾轉系列數(shù)據(jù)來生成并估計整套數(shù)據(jù)的平均離焦量。其中通過引入一種尺度變換（Thonring rescaling）的方法，將不同離焦條件下的功率譜進行縮放，使其中的CTF衍射環(huán)能夠被對齊并平均，從而獲得高信噪比的平均功率譜。接下來，該方法依托平均離焦量作為初始值，對傾轉系列中每張照片的離焦量進行局部估計優(yōu)化，以提升單張照片的離焦量估計精度。在上述估計的過程中，該方法還包括了基于圖像灰度均值的絕對傾角偏移估計方法，以及通過將離焦量與絕對傾角偏移和面外傾角（x-tilt）進行聯(lián)合建模，在改善離焦量估計準確性的同時，實現(xiàn)對樣品三維傾角的精確測量。
圖1.CTFMeasure算法流程圖
研究團隊基于上述聯(lián)合估計方法，開發(fā)了名為CTFMeasure的新軟件。測試表明，相對于已有方法，CTFMeasure可以在功率譜中展現(xiàn)出更加清晰的CTF衍射環(huán)花樣（圖2）；并以此為依托，在實現(xiàn)準確離焦量估計的同時，為用戶基于CTF衍射環(huán)的數(shù)據(jù)質量評估提供數(shù)據(jù)支持。實驗表明，使用CTFMeasure估計的離焦量可以為子斷層平均（subtomogram averaging）提供更加精確的初始離焦量估計，為獲得高分辨率的蛋白質結構三維重構提供有力支持。更好的離焦量初始值也有助于減少三維結構解析計算的迭代輪數(shù)，提高計算效率（圖3）。
圖2.絕對傾角偏移估計與經(jīng)歷尺度變換后的CTF衍射環(huán)（Thon ring）對比
圖3.子斷層平均結果對比
李雪明和沈淵為論文共同通訊作者，清華大學電子工程系2020級博士生張冉顥為論文第一作者。研究得到國家自然科學基金委、生命科學聯(lián)合中心、北京生物結構前沿研究中心等的資金支持，并得到了國家蛋白質科學研究（北京）設施清華基地的設備和技術支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.str.2024.05.006
供稿：生命學院
編輯：李華山
審核：郭玲
