电子冷冻显微术

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蛋白质组链接蛋白质组链接

单篇电子冷冻显微术(冷冻电镜)已成为测定大分子结构的重要方法^[1]。它是2017年诺贝尔化学奖虽然分辨率通常比X射线晶体学，低温电解具有不需要结晶的巨大优势^[2].Cryo-EM特别适合于测定含有多种蛋白质或核酸（通常是最难结晶的蛋白质或核酸）的大型复合物的结构。

有关该方法的快速概述，请参阅这段3分钟的无声视频通过盖布·兰德有关现代低温电子显微镜发展的历史观点，请参阅科学背景获得2017年诺贝尔奖。有关更详细的讨论，请参阅本入门^[1].

目录 1 将晶体结构对接到低温电子显微镜图中 2 分辨率 三 密度贴图 3.1 可视化EM地图 3.2 电子显微镜数据库 4 温度（B系数） 5 视频 6 蛋白质鉴定 7 另请参见 8 重定向 9 注释和参考

将晶体结构对接到低温电子显微镜图中

早期研究表明，将单体晶体结构对接到更大组装体的低分辨率（例如15º）低温电子显微镜图中，可以可靠地预测结构^[3]随后，开发了许多方法，包括对接，同时允许单体具有灵活性^[4].

分辨率

显示：非对称单元 生物组件 用鼠标拖动结构进行旋转  导出动画图像 沉积在2020在中蛋白质数据库为3.5亿（较2018年的3.8亿和2016年的4.2亿有所改善）[5]为了进行比较，中位数分辨率PDB中X射线晶体学条目的数量多年来一直为2.0º[5]. 2015年，Cheng、Grigorieff、Penczek和Walz[1]得出结论： "分辨率在单粒子中，EM是。。。某种程度上任意选择的截止水平。。。。" "... 密度图的分辨率仍存在争议。" "... 作者认为目前还没有真正的金本位制EM图的结构细化和分辨率估计程序。“然而，单粒子EM存在的问题是，仍然没有简单易用的客观质量标准，例如X射线晶体学中的R自由值这将使人们能够评估确定的密度图是否准确。"[1] 当分辨率提高2倍时，可用数据（用于支持坐标模型）增加8倍。例如，2.4Å分辨率的结构比3.0Å分辨率的结构有了很大的改进，因为可用的测量数量翻了一番。 无法直接比较低温电子显微镜结构和晶体结构的质量。在晶体结构中，电子密度是根据测量的结构因子和计算的相位计算的（在最极端的情况下，一半的信息无法从实验中获得）。即使在存在实验阶段的情况下（例如来自多个同晶替换），这些阶段通常也无法达到完全分辨率。特别是在分辨率低于4º时，在没有实验相位的情况下，X射线结构容易产生模型偏差。Cryo-EM没有这个限制，所以低分辨率结构仍然可以携带可靠的信息，例如已知结构的构象变化。例如，通过分子替换（即无实验相）解决的4º晶体结构不如4º低温EM结构可靠。如果一个结构的成分的原子模型是可用的，比如在右边描述的胰岛素受体的结构中，就有可能根据4.3Å的分辨率数据建立原子模型（需要一些耐心，将显示）。

密度贴图

3.4中血红素和两种组氨酸的密度图 细胞色素的低温电镜结构(6奈夫).

低温电子显微镜实验的结果是一张密度图。就像是为了X射线衍射则有必要将原子模型最佳地拟合到映射中^[1].

Cryo-EM“具有记录包含振幅和相位信息的图像的优点，因此不存在像[X射线]结晶学中那样的相位问题”^[6].

电子受到样品中电荷的衍射，而X射线则受到电子密度的衍射，从而产生电子密度图因此，EM图可以称为“电子势图”^[6]，“库仑势图”^[7]，或“电位图”^[8]电子密度都是正值，而电子势图可以是正值或负值^[8][7].王（2017）^[9]提供了一种将电子势图转换为电荷密度图（使用奇梅拉)密度具有更好的分辨率，并更好地反映原子核的位置。

可视化EM地图

Jmol简介使其易于可视化EM密度图，如右图所示。加载您的PDB ID（或6奈夫). 然后，使用查找。。（位于焦点框)要定位感兴趣的残留物（或6nef的“503169360”——在6nef中，HEC503、HIS169和HIS360的序列号恰好是明确的。）单击“EM密度图”。根据需要调整视图后，单击“保存Powerpoint的图像或动画”。本页上方是从FirstGlance保存的动画示例。

密度图查看器也可在wwPDB网站它们比FirstGlance中的地图查看器更复杂、更技术。这些查看器还能够保存动画，尽管界面比FirstGlance提供的技术性更强。

电子显微镜数据库

这个电子显微镜数据库（EMDB）存档EM密度图。只有“所有特征”地图会被保存，因为低温电子显微镜分析没有等效于差异图X射线衍射。

温度（B系数）

PDB文件对于由cryo-EM确定的模型，通常在温度/B系数字段。然而，2017年的一项分析得出结论，“在几乎所有分析的低温电磁模型中，原子位移（B）因子的处理都是毫无意义的”^[10].

视频

• 什么是低温电子显微镜（Cryo-EM）？加州大学旧金山分校（UCSF）的一段视频，解释了什么是低温环境，2.5分钟。
• 2017诺贝尔奖获得者 理查·亨德森解释了低温电子显微镜的历史在这个视频中，5分钟。
• 查看分子：MRC LMB的低温电子显微镜革命英国剑桥分子生物学实验室，7分钟。
• 低温-EM17，由英国剑桥大学分子生物学实验室医学研究委员会的专家进行10场系列讲座，每次约45-60分钟
• 48个关于低温电磁法通过格兰特·延森加州理工学院从欢迎来到cryo-EM。每个视频大约10-30分钟。整个系列总共约14个小时。
• 最近的视频低温电子显微镜及其应用简介通过马尼迪帕·班纳吉，印度-德里，35分钟。
• 视频演示低温电子显微镜原理通过盖布·兰德（斯克里普斯研究），3分钟。
• 视频液泡ATP酶质子泵马达基于Zhao、Benlekbir和Rubinstein（2015）在多个旋转状态下获得的低温电磁结构^[11]，1.5分钟。

蛋白质鉴定

在21世纪^标准世纪，在确定蛋白质结构之前，几乎总是知道蛋白质的氨基酸序列身份。这是因为在结晶之前，基因通常被克隆，蛋白质被表达和纯化。然而，也可以提纯蛋白质未事先鉴定的大分子组装体，并通过冷冻电镜确定其结构。如果达到足够的分辨率（约3.5º或更好），候选氨基酸序列可以作为结构的组成部分进行匹配或排除。因此，通常结合质谱分析，低温电子显微镜可以帮助确定结构中存在哪些蛋白质^[12][13].

一个例子是由细菌制成的导电蛋白质纳米线，特别是降硫地杆菌冷冻电镜结构显示，其中一些纤维是由C型细胞色素OmcS组装而成的^[14][15]这是一个惊喜，因为长期以来人们一直认为它们是由一种完全不同的蛋白质pilA组装而成的。

另请参见

• 电子密度图

重定向

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注释和参考

1. ↑^{1 1.1 1.2 1.3 1.4}Cheng Y，Grigorieff N，Penczek PA，Walz T.单粒子冷冻电子显微镜引物。单元格。2015年4月23日；161(3):438-449. doi:10.1016/j.cell.2015.03.050。PMID：25910204数字对象标识：http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2015.03.050
2. ↑获得高阶晶体可能是X射线衍射确定结构的主要障碍。只有不到一半的克隆、表达、纯化蛋白质能够充分溶解，用于结构测定。其中，衍射质量的晶体仅占五分之一左右。请参见2011年结构基因组学进展.
3. ↑Roseman AM。使用局部相关性将畴结构对接到低温电子显微镜的图谱中。晶体学报D生物晶体。2000年10月；56（第10部分）：1332-40。PMID：10998630
4. ↑Kim DN，Sanbonmatsu KY。低温电磁淘金热的工具：从低温电磁图到原子模型。Biosci报告，2017年12月5日；37(6). pii:BSR20170072。doi:10.1042/BSR20170072。印刷，2017年12月22日。PMID：28963369数字对象标识：http://dx.doi.org/10.1042/BSR20170072
5. ↑^{5 5.1}参见低温电子显微镜分辨率与X射线衍射分辨率的比较：tinyurl.com/method-vs-分辨率.
6. ↑^{6 6.1}罗森塔尔私人有限公司。解释低温电磁图。IUCrJ.2019年1月1日；6（第1部分）：3-4。doi:10.1107/S2052252518018304。eCollection 2019年1月1日。PMID：30713698数字对象标识：http://dx.doi.org/10.107/S2052252518018304
7. ↑^{7 7.1}Marques MA、Purdy MD、Yeager M.CryoEM地图极具潜力。当前操作结构生物。2019年10月；58:214-223. doi:10.1016/j.sbi.2019.04.006。Epub，2019年8月7日。PMID：31400843数字对象标识：http://dx.doi.org/10.1016/j.sbi.2019.04.006
8. ↑^{8 8.1}Wang J，Moore PB。生物大分子电子显微图谱的解释。蛋白质科学。2017年1月；26(1):122-129. doi:10.1002/pro.3060。Epub 2016年10月15日。PMID：27706888数字对象标识：http://dx.doi.org/10.1002/pro.3060
9. ↑王杰。电子显微图中的实验电荷密度。蛋白质科学。2017年8月；26(8):1619-1626. doi:10.1002/pro.3198。Epub 2017年5月31日。PMID：28543856数字对象标识：http://dx.doi.org/10.1002/pro.3198
10. ↑Wlodawer A，Li M，Dauter Z。《高分辨率低温电磁图和模型：晶体学家的观点》。结构。2017年10月3日；25（10）：1589-1597.e1。doi:10.1016/j.str.2017.07.012。Epub，2017年8月31日。PMID：28867613数字对象标识：http://dx.doi.org/10.1016/j.str.2017.07.012
11. ↑Zhao J、Benlekbir S、Rubinstein JL。真核生物V-ATP酶旋转状态的电子冷冻显微镜观察。自然。2015年5月14日；521(7551):241-5. doi:10.1038/nature14365。PMID：25971514数字对象标识：http://dx.doi.org/10.1038/nature14365
12. ↑Ho CM、Li X、Lai M、Terwilliger TC、Beck JR、Wohlschlegel J、Goldberg DE、Fitzpatrick AWP、Zhou ZH。自下而上结构蛋白质组学：从细胞环境中富集的蛋白质复合物的冷冻电镜。自然方法。2019年11月25日。pii:10.1038/s41592-019-0637-y。doi:，10.1038/S41492-019-0737-y，PMID:31768063数字对象标识：http://dx.doi.org/10.1038/s41592-019-0637-y
13. ↑Terwilliger TC、Sobolev OV、Afonine PV、Adams PD、Ho CM、Li X、Zhou ZH。通过自动建模和侧链匹配从电子冷冻显微镜图中识别蛋白质。晶体生物学学报D结构生物学。2021年4月1日；77（第4部分）：457-462。doi:，10.1107/S2059798321001765。Epub 2021年3月30日。PMID：33825706数字对象标识：http://dx.doi.org/10.107/S2059798321001765
14. ↑Wang F、Gu Y、O'Brien JP、Yi SM、Yalcin SE、Srikanth V、Shen C、Vu D、Ing NL、Hochbaum AI、Egelman EH、Malvankar NS。微生物纳米线的结构揭示了在微米上传输电子的堆积Hemes。单元格。2019年4月4日；177（2）:361-369.e10。doi:10.1016/j.cell.2019.03.029。PMID：30951668数字对象标识：http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2019.03.029
15. ↑Filman DJ、Marino SF、Ward JE、Yang L、Mester Z、Bullitt E、Lovley DR、Strauss M.Cryo-EM揭示了基于细胞色素的细菌纳米线中远程电子传输的结构基础。公共生物。2019年6月19日；2:219. doi:10.1038/s42003-019-0448-9。2019年eCollection。PMID：31240257数字对象标识：http://dx.doi.org/10.1038/s42003-019-0448-9