蛋白质晶体学结构测定新技术研究

X-ray crystallography is the mainstream method to obtain the structures of proteins. Solving the phase of diffraction is one of the key steps in structure determination. For the de nuovo structure determination, anomalous dispersion is the frequently-used method. The first step in anomalous dispersion is to find out the positions of heave atoms. However, due to the weak signals of anomalous scattering, the searching of heavy atoms frequently fails because of the strong noises happening in different Patterson maps. The intensities and features of the noises are very similar to that of heavy atom signals; therefore the conventional methods for depressing noise are not suitable in protein structure determination. Here we propose a de-noising algorithm in signal processing – NASR. By selecting part of diffraction signals randomly, a series of different Patterson maps can be calculated. The analysis in the statistical behavior of these different Patterson maps can distinguish the noises and signals clearly. This method is very hopeful to be developed as a new one for structure determination. The improvement of the NASR method will be launched in this proposal and we hope a user-friendly software package will be provided to the structure biology groups, to increase the efficiency and success rate of de nuovo structure determination.

X射线晶体学是解析蛋白质结构主要的手段，其中获得晶体衍射相位是解析结构的关键步骤之一。解析全新蛋白晶体衍射相位的主流方法是反常散射。利用反常散射解析相位的第一步是确定重原子位置，而这一步骤往往由于蛋白质晶体衍射数据的质量较差，从而导致差值帕特森图含有很高的噪声，导致重原子位置搜索的失败，结构无法解析。这些噪声的强度和特征与真实的重原子信号非常类似，常规的降噪方法难以奏效。我们借鉴信号处理中所使用的一种方法--NASR，通过随机挑选部分衍射信号计算差值帕特森图，对多次随机挑选计算得到的一系列差值帕特森图进行统计分析，可以明确区分真实的重原子信号和噪声，成功地实现了差值帕特森图的降噪处理，可望提高解析全新蛋白质结构的效率和成功率。在本项目中我们计划将该方法发展完善，并形成用户友好的软件系统，为结构生物学提供一种原创的晶体结构解析方法。

目前解析全新生物大分子晶体结构的主要实验方法为反常散射实验法，使用该方法时首先要通过差值帕特森图获得重原子位置。但是实验过程中由于实验误差的存在，使得差值帕特森图中往往含有很高的噪声，经常导致重原子位置定位失败，进而结构无法解析。为提高实空间搜索重原子的效率和成功率，我们将基于统计学理论的信号处理中经常使用的方法——重采样抑制噪声算法（NASR）——引入到蛋白质晶体学中，利用它对差值帕特森图进行降噪。该算法的基本原理为：在多次重新采样的过程中，有用信号基本保持静态不变，而噪声是随机波动的。我们提出了一种加权函数将信号和噪声区分开来，进而抑制噪声，保留有用信号，提高数据的信噪比。经过验证，经降噪之后的差值帕特森图在其余条件不变的情况下可以有效提高信噪比，提升了后续实空间搜索重原子的效率和成功率。这为广大的蛋白质晶体学用户提供了一种新的寻找重原子和确定初始相位的方法