清華新聞網(wǎng)1月13日電 冷凍電子斷層成像（cryo-electron tomography,cryoET）技術(shù),、冷凍聚焦離子束（cryo-focused ion beam,cryoFIB）樣品減薄技術(shù)和子斷層平均技術(shù)（sub-tomogram averaging,STA）的進(jìn)步推動(dòng)了生物大分子在細(xì)胞中的原位結(jié)構(gòu)測(cè)定,，對(duì)于研究膜蛋白結(jié)構(gòu)及其在細(xì)胞環(huán)境中的相互作用具有重要意義。斷層掃描圖像（tomogram）是三維圖像,，但由于低信噪比和細(xì)胞內(nèi)擁擠的環(huán)境,，當(dāng)前的觀察方法仍主要依賴(lài)查看tomogram中的二維截面。然而,，細(xì)胞中的膜結(jié)構(gòu)通常呈彎曲形態(tài),，這使得通過(guò)二維截面難以直接觀察膜表面蛋白的分布。同時(shí),，膜信號(hào)強(qiáng)烈的襯度也會(huì)干擾膜蛋白的識(shí)別,，增加原位觀察和結(jié)構(gòu)解析的難度。
1月8日,，清華大學(xué)生命學(xué)院李雪明副教授課題組在《自然·通訊》（Nature Communications）在線發(fā)表題為“MPicker：冷凍電子斷層成像中膜蛋白的可視化與挑選”（MPicker:visualizing and picking membrane proteins for cryo-electron tomography）的研究論文,。該論文報(bào)道了一種基于“膜展平”的方法，通過(guò)在“展平tomogram”中進(jìn)行操作來(lái)降低膜蛋白可視化與挑選的難度（圖1）,。該方法首先通過(guò)膜分割或者手動(dòng)標(biāo)注定位感興趣區(qū)域（一片膜）,，然后在tomogram中對(duì)這片膜及其周?chē)膮^(qū)域進(jìn)行變形處理，最終把這個(gè)局部區(qū)域展平為一個(gè)包含平整膜結(jié)構(gòu)的新tomogram,，也就是展平tomogram,。在這個(gè)新生成的展平tomogram中，原本彎曲的膜會(huì)變成一個(gè)平板,，膜厚度與蛋白取向局部保持不變,。展平tomogram中每一層二維截面都對(duì)應(yīng)一個(gè)平行于膜的等距面，使得膜表面的蛋白信號(hào)可以輕易地以二維圖像的形式被展示,。這起到了降維的效果,，降低了膜蛋白分析的空間復(fù)雜性，改善了膜上和膜周?chē)鞍踪|(zhì)的可視化效果,。
圖1.MPicker軟件流程圖
基于膜展平方法,，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了名為MPicker的新軟件，該軟件能夠在多種細(xì)胞切片樣品的tomogram中清晰展示膜表面的蛋白分布（圖2）,。在展平tomogram中,，用戶(hù)可以更方便地識(shí)別并挑選顆粒。為了提高自動(dòng)化程度,，MPicker還整合了EPicker軟件（一款原本用于單顆粒圖像的自動(dòng)顆粒挑選工具）,，充分利用了展平tomogram二維化的優(yōu)勢(shì)。除了在MPicker中進(jìn)行操作,，用戶(hù)也可以靈活地使用其他軟件在展平tomogram中進(jìn)行顆粒挑選,。
圖2.使用MPicker對(duì)類(lèi)囊體膜進(jìn)行展平
MPicker還可以提供每個(gè)顆粒的初始取向用于輔助膜蛋白STA的計(jì)算,。除了常規(guī)的膜法向量,，用戶(hù)還可以方便地通過(guò)MPicker在展平tomogram中標(biāo)注蛋白在膜表面的面內(nèi)取向,，從而利用更強(qiáng)的角度約束來(lái)輔助STA的計(jì)算。為提高取向確定的自動(dòng)化程度,，研究團(tuán)隊(duì)將膜蛋白沿膜法向量投影,，并進(jìn)行了改造的二維分類(lèi)，從而更高效地獲得每個(gè)顆粒的精準(zhǔn)取向信息,。通過(guò)這一方法,，團(tuán)隊(duì)使用四套tomogram數(shù)據(jù)成功解析了衣藻PSII-LHCII超復(fù)合物的低分辨原位結(jié)構(gòu)（圖3），并將結(jié)果上傳至EMDB數(shù)據(jù)庫(kù)（EMD-61019）,。
圖3.通過(guò)膜蛋白的法向量和面內(nèi)角約束STA的計(jì)算
生命學(xué)院李雪明副教授為論文的通訊作者,，生命學(xué)院2020級(jí)博士生顏嘯峰為論文的第一作者。電子系李樹(shù)東,、黃煒琳,，生命學(xué)院王皓博士（已畢業(yè)），電子系趙天放,、黃銘濤,，冷凍電鏡平臺(tái)周昵昀博士，以及電子系沈淵教授為本研究作出了重要貢獻(xiàn),。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委,、生命科學(xué)聯(lián)合中心、北京生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心等的資金支持,，并得到國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)研究（北京）設(shè)施清華基地的技術(shù)支持,。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-55767-w
軟件鏈接：
https://thuem.net/software/mpicker/overview.html
供稿：生命學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
