冷冻电镜三维重构的关键算法研究及其应用

Cryo-electron microscopy and single-particle three-dimensional (3D) reconstruction technique (commonly referred to collectively as cryo-EM) has become one of the most powerful tools for structural biology, because the biological samples need not to be crystallized and can be kept in their native environment, and the structures of macromolecules and macromolecular complexes can be resolved to near-atomic resolution by this tool. However, there are still some problems on restoring the whole atomic structures of macromolecules from two-dimensional images due to its extremely low signal-to-noise ratio and the dynamic processes of biological macromolecules. Based on the goals of this major research plan and the advantages of our previous three projects, we focus on the image process of cryo-EM, and propose this integrated project. The goals of our project are to: 1) propose the new methods on dynamic reconstruction and resolve the dynamic structures of macromolecules; 2) propose the new methods on symmetry-mismatch 3D reconstruction, and use this methods to resolve the non-icosahedral symmetry structures within the icosahedral capsid of virus, and build the 3D models of viral genome; 3) develop the efficient theory and algorithms for noise suppression, particle heterogeneity, density maps validation to push the 3D reconstruction of cryo-EM to atomic resolution; 4) design a high-precision and large-scale data processing platform for cryo-EM data-process. We expect to achieve breakthrough in the field of cryo-EM by this multi-discipline research.

冷冻电镜技术具有不需要样品结晶、能解析分子量巨大的生物大分子及其复合物三维结构等优点，已发展成为结构生物学的主流技术。然而，冷冻电子显微图像的信噪比极低，且分子具有动态、复杂的三维结构，要通过二维低质图像恢复其三维结构还有许多瓶颈需要高效算法解决。本集成项目围绕重大研究计划研究目标，综合前期3个培育项目团队的优势，聚焦冷冻电镜单颗粒技术图像处理这一前沿课题开展如下研究：1）发展活性动态三维重构的新算法与软件，求解重要生物大分子动态三维结构；2）提出解决对称失配三维重构难题的新方法，求解病毒衣壳内部非二十面体对称的基因组及相关蛋白三维结构，构建病毒基因组三维折叠新模型；3）发展电子显微图像噪声抑制和颗粒全同性评估新算法，提出回答三维重构质量评估这一开放性问题的新方案；4）构建具有自主知识产权的冷冻电镜图像处理平台。本集成交叉项目的深入研究有望在冷冻电镜理论分析和应用方面取得突破性先进成果。

（对项目的背景、主要研究内容、重要结果、关键数据及其科学意义等做简单概述，800字以内）. 相较于X射线晶体学方法和核磁共振技术，冷冻电镜技术具有不需要样品结晶、能解析分子量巨大的病毒及生物大分子活性动态结构等优点。近年来，随着各种硬件和软件的发展，冷冻电镜技术成为最有力的结构生物学技术。然而高分辨冷冻电子显微图像的信噪比极低，且生物大分子结构复杂，电子显微图像处理一直是冷冻电镜技术的瓶颈之一。本项目围绕对称失配三维重构、活性动态三维重构等方面展开研究，致力于发展冷冻电镜三维重构的关键算法与软件，并应用其解析重要生物大分子三维结构。三年来，项目按计划执行，很好地完成了各项任务，达到了预期目标，项目组成员在Nature，Science、PNAS、Nat Commun、Mol Cell、Angew Chem Int Ed等一流期刊发表学术论文60余篇，主要创新性研究成果表现在如下三个方面：. 1）提出并发展了冷冻电镜病毒对称失配三维重构算法、编写了大规模计算软件包，并利用其解析了质型多角体病毒、草鱼呼肠孤病毒、疱疹病毒、手足口病毒柯萨奇病毒等系列病毒的对称失配结构，揭示了病毒组装、转录、复制等重要的生物学机制，开辟了病毒内部结构研究的全新视角与研究方向；. 2）发展了基于深度学习的卷积神经网络自动识别单颗粒算法、适应性限制修正的K-means算法、非监督式统计机器学习的图像二维分类算法，并开发了应用软件，极大地提高了单颗粒分类的速度和精度，利用其解析了一批人源蛋白酶体的活性动态结构，取得了生物大分子动力学研究的关键突破。 . 3）发展了系列蛋白质空间结构预测、蛋白质相互作用预测新算法，并开发了相关的应用程序和数据库。