冷冻电镜技术在结构生物学中的研究现状及展望

摘 要：冷冻电镜技术近年来获得了迅猛的发展，取得了许多具有重大意义的成果。冷冻电镜将生物分子进行冷冻便可进行高分辨率成像，还具有分辨率高、更接近天然状态、适用研究对象广泛等优势。同时，系统地综述了冷冻电镜技术在科学研究中的应用，并展望冷冻电镜技术未来的发展。

关键词：冷冻电镜;结构生物学

中图分类号：TG115.21+5.3;Q518.3  文献标志码：A

Abstract Cryo-electron microscopy technology has made rapid development in recent years，and many groundbreaking results has achieved. Cryo-electron microscopy can freeze biomolecules for high-resolution imaging. It also has the advantages of high resolution，closer to the natural state，and a wide range of research objects. At the same time，the application of cryo-electron microscopy technology in scientific research is systematically reviewed and the future development is prospected.

Key words Cryo-electron microscopy;structural biology

冷冻电镜（cryo-electron microscopy，cryo-EM）技術，是在低温下使用透射电子显微镜观察样品的显微技术，即把样品冷冻并保持低温放进显微镜里面，用高度相干的电子作为光源从上面照射，透过样品和附近的冰层，受到散射，再利用探测器和透镜系统把散射信号成像记录下来，最后进行信号处理，得到样品的结构[1]。冷冻电镜技术作为一种重要的结构生物学研究方法，它与X射线晶体学、核磁共振一起构成了结构生物学研究的基础。[1]

1 冷冻电镜技术的基本原理

1.1 电镜三维重构理论

D.DeRosier和A.Klug提出三维重构理论是借助一系列沿不同方向投影的电子显微像来重构被测物体的立体构型，利用计算机数字图像处理技术进行电子显微像三维重构测定生物大分子结构的概念和方法[2]。

透射电子显微镜成像过程中，电子束穿透样品，将样品的三维电势密度分布函数沿着电子束的传播方向投影至与传播方向垂直的二维平面上。运用中心截面定理，从而可以通过三维物体不同角度的二维投影在计算机内进行三维重构来解析获得物体的三维结构。

1.2 三维冷冻电镜技术

样品经过在液氮中的冷冻固定，使得生物大分子中的H2O分子以玻璃态的形式存在，保持低温，将样品放入显微镜，高度相干的电子作为光源从上面照射下来，透过样品和附近的冰层，受到散射，利用探测器和透镜系统把散射的信号成像记录下来，再进行信号处理，最后利用三维重构的技术得到样品的三维结构。

2 冷冻电镜技术的独特优势

2.1 分辨率高

光学显微镜的分辨率为0.2μm，透射电子显微镜的分辨率为0.2nm，透射电子显微镜在光学显微镜的基础上放大了1000倍。

2.2 更接近天然状态

电子断层成像技术则可用来研究一定厚度的亚细胞器在天然状态下的内部结构，不需要蛋白质结晶[3]。

2.3 适用研究对象广泛

冷冻电镜单粒子法既可以对具有对称结构的大分子进行研究，也适合于研究结构不规则的大分子复合物，对于分子量的上限没有限制，理论上>100kD的分子在成像技术能够保证的情况下可以形成足够的对比以进行图像校正。

3 冷冻电镜技术在结构生物学中的应用

冷冻电镜技术主要应用在单个蛋白质分子结构的分析方面。此外，冷冻电子显微镜技术还将广泛应用于细胞组织的超微结构解析，对解开生命活动的规律和机制等奥秘会产生更大影响。清华大学生命科学学院王宏伟团队创造了利用冷冻电镜单颗粒分析技术解析至近原子分辨率的分子量最小的生物大分子的记录[4]。施一公研究组解析了γ-secretase蛋白质和RyR-1蛋白质[5]。杨茂君研究组解析了Mammalian respirasome蛋白质[6]。随着越来越多蛋白质神秘面纱的揭开，我们可以更好地解释各种各样的生命活动发生的原因和机理。利用冷冻电镜技术观察到的蛋白质结构，我们可以定向改造或构建新的蛋白质用于科研或医疗领域。

4 总结与展望

冷冻电镜技术具有分辨率高、更接近天然状态、适用研究对象广泛等特点，越来越多的科学家开始把冷冻电镜技术作为研究的一个新方向。冷冻电镜技术与X射线技术和核磁共振技术互相补充，让绝大多数的蛋白质的结构都可以被解析。众多领域的研究者们将在未来冷冻电镜新的技术方法的开发中发挥重要的作用，成为该技术的进一步完善与成熟的重要力量。冷冻电镜领域研究者们则需要以主动开放的态度吸引其他领域研究者的合作，并积极迎接来自更多领域研究者的挑战，保持并发展自己的技术特长，站在技术发展的制高点上选准研究方向，始终在冷冻电镜的技术前沿上开疆拓土。

参考文献

[1] 王宏伟. 冷冻电子显微学在结构生物学研究中的现状与展望 [J]. 中国科学：生命科学，2014，44（10）：1020-1028.

[2] 程凌鹏. 生物大分子高分辨率冷冻电镜三维重构技术 [J]. 实验技术与管理，2018，35（06）：17-22+26.

[3] MAOFU L，ERHU C，DAVID J，et al. Structure of the TRPV1 channel determined by electron cryo-microscopy [J]. Nature：International weekly journal of science，2013，504（7478）：107-112.

[4] 馨娅. 利用冷冻电镜方法成功解析最小分子量的蛋白质 [J]. 科学，2019，71（04）：62.

[5] BAI S S，ZHUO L，SUN Y，et al. Physalin B reduce secretion of Aβ by inhibiting phosphorylation of STAT3 via down-regulated expression of β-secretase and γ-secretase [J]. 中国药理学与毒理学杂志，2019，33（06）：426-427.

[6] GU J，WU M，GUO R Y，et al. The architecture of the mammalian respirasome [J]. Nature，2016，537（7622）.

作者简介：陈薇，女，1999年出生，本科，生物技术。