冷冻电镜单颗粒技术中测定生物大分子取向和中心的新算法研究

冷冻电镜单颗粒技术作为生物大分子三维结构研究的重要手段之一，近年来已发展成为解析生物大分子蛋白及其复合体、病毒乃至细胞器高分辨结构的最有利工具。由于冷冻电镜采用低剂量电子成像，图像的信噪比非常低，因此如何精确、有效地确定照片中生物大分子单颗粒的取向和中心是该技术中至关重要的一步，直接决定了最终结构分辨率的高低。本项目旨在改进确定单颗粒取向和中心的算法和程序，达到提高计算精度和速度的目的，其主要内容有：1）提出一种全新的算法，即基于球坐标系，把对称匹配球谐函数运用于确定单颗粒的取向和中心。对称匹配函数充分利用了客体的对称性，因此能更好地抑制噪声、提取有用信息；2）对高分辨照片进行象散校正；3）通过理论模拟和实验数据对新算法进行反复测试和优化，最终形成一套完整的、具有独立知识产权的冷冻电镜单颗粒技术数据处理软件包，进一步提高三维重构分辨率，为研究生物大分子结构和功能的关系提供更精确的结构信息。

近年来，冷冻电镜技术特别是冷冻电镜单颗粒技术已发展成为解析生物大分子三维结构的强有力工具之一。由于采用低剂量电子成像，冷冻电镜图像信噪比非常低，要获得近原子分辨三维结构需要对数万甚至数十万颗粒进行平均，以抑制噪声提高三维重构分辨率。因此，先进的算法研究和程序开发对提高三维重构分辨率、推动冷冻电镜技术的发展具有非常重要的意义。本项目的研究目标是：发展新的确定生物大分子颗粒取向和中心的算法并形成一套完整的冷冻电镜单颗粒技术数据处理软件包；把新算法和程序应用于具体的生物大分子三维重构，求解生物大分子近原子分辨三维结构。经过三年的努力，我们取得了如下两个方面的研究成果：.1、算法研究和软件开发.把对称匹配球谐函数应用生物大分子三维重构，发展了一种确定颗粒取向和中心的新算法，并与基于球坐标系的三维重构算法相结合，形成了一套完整的冷冻电镜数据处理软件包。为提高计算速度，我们发展了并行算法，并编写了基于消息传输（Message Passing Interface, MPI）的并行计算程序。新算法和程序具有计算精度高、计算速度快、数据管理和使用方便等特点。.2、求解高分辨生物大分子三维结构.我们将新算法和程序应用于三维重构数据处理，求解了多个生物大分子近原子分辨三维结构，其中包括：4.2Å分辨的人类腺病毒（Ad5）三维结构，发现了腺病毒五次对称的五邻体与三次对称的三邻体之间的相互作用关系，提出了三次对称同五次对称生物大分子之间作用的对称失配机制；4.1Å分辨的腺病毒（Ad5F35）三维结构证实了腺病毒的五邻体和三邻体之间相互作用的保守性，并基于我们的结构提出了腺病毒三邻体的结构模型；分别求解了质型多角体病毒自然态和转录态3.9Å分辨和4.1Å分辨的三维结构，首次基于CCD图像重构的结果独立构建了其原子结构模型，确认了呼肠孤病毒mRNA的流出通道，揭示了双链RNA病毒在转录环节中所发生的与其转录功能相适应的精细构象变化。这些高分辨生物大分子三维结构的求解不仅为其功能研究及应用提供了丰富的结构信息，而且充分证明了新算法和程序的可靠性。