基于球坐标系的冷冻电镜二十面体病毒高分辨三维重构的算法研究

Three-dimensional (3D) structural studies of viruses are crucial to understanding their pathogenic mechanism, disease prevention and drug design. Generally, viruses are very large and complex, and are difficult to grow into crystal, so it’s not easy to obtain their high-resolution 3D structures by the traditional methods -- X-ray crystallography and nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR). With the recent development of microscopy, data-processing algorithm and program, and computing power, the cryo-electron microscopy and single-particle reconstruction (commonly referred to collectively as “cryo-EM”) has become the most powerful tool for analyses the high-resolution structures of viruses. Due to the low-dose imaging, the cryo-EM images are very noise (the signal-to-noise ratio less than 0.1), and the reconstruction algorithm is the key to restore the virus structures from tens of thousands particle images. The new reconstruction algorithm based on the spherical coordinate system and icosahedral symmetry-adapted functions (ISAFs) was firstly put forward by the project applicants and their groups, and this method has obtained some results on noise suppression and resolution improvement. . The major idea of this project is to enhance the resolution of 3D reconstruction of virus by improving the algorithm and programs of cryo-EM image processing, and the main content as following:.1) Studying the fast algorithm of the high-accuracy reconstruction of icosahedral virus based on spherical coordinate system;.2) Parallel programming based on MPI;.3) Studying the high-resolution structure of human adenovirus 35F (Ad35F).. The ultimate goal of this project is to form a stable and fast parallel package and use it to reconstruct the high-resolution 3D structures of virus.

病毒三维结构的研究是了解病毒致病机制、疾病预防及药物设计的基础。病毒颗粒通常体积巨大、结构复杂、难于长成晶体，传统的X射线晶体学和核磁共振技术难以精确求解其结构。近年来，随着电子显微技术的发展、算法改进、计算能力的提高，冷冻电镜单颗粒技术已成为破解这一难题的最有力手段。由于采用低剂量电子成像，冷冻电镜照片的噪声非常大，要从数以万计的二维投影照片恢复高分辨三维结构，重构算法是关键。基于球坐标系的生物大分子三维重构方法由项目申请人及所在课题组最先提出，该算法在抑制噪声、提高分辨率取得了一定成效。本项目拟通过改进冷冻电镜图像处理的算法和程序，并应用于具体的生物病毒三维重构，进一步提高病毒重构分辨率，推动冷冻电镜技术向前发展。研究内容主要包括：1)基于球坐标系的高精度病毒三维重构的快速算法研究；2)基于球坐标系的MPI并行程序设计；3)具体的病毒三维结构研究。最终形成一套快速、稳定的并行重构程序。

“数学正帮助驱动结构生物学的一场革命”，这是2014年Nature杂志在点评近年来冷冻电镜技术发展时的评价。然而，随着电子显微技术的发展和相关算法及软件的进步，冷冻电镜技术已发展成为解析生物大分子三维结构的最有利工具。随着数据量的不断增大，先进算法和高效计算程序已成为了冷冻电镜技术进一步发展的瓶颈。本项目旨在发展冷冻电镜二十面体病毒三维重构的算法，进而形成高效可靠的计算程序，最后将其应用于实际的二十面体病毒高分辨三维重构，解决重要的生物学问题。在本项目的支助下，我们主要取得了如下成果：..1. 提出了一种二十面体病毒对称失配三维重构的新方法，并将其应用于多角体病毒三维重构，首次解析了病毒内部基因组及其聚合酶的三维结构。这是病毒三维结构研究半个多世纪来，首次将病毒结构的研究从衣壳深入到内部，为病毒内部结构研究提供了一个全新的视角。本成果于2015年9月18号发表在国际顶级学术期刊Science上。..2. 利用冷冻电镜单颗粒技术和我们发展的新方法求解了转录态多角体病毒衣壳近原子分辨三维结构，精确定位了衣壳蛋白甲基转移酶两个活性位点的空间位置，为进一步阐明双链RNA病毒mRNA的加帽机制提供原子分辨率的结构基础。..3. 发展了基于傅立叶-梅林变换确定单颗粒取向和中心的新方法，形成了一套完整的冷冻电镜数据处理软件包，在计算速度和精度上有了一定的提高。