1.简介
X射线自由电子激光器(XFEL)的出现推动了串行蛋白质结晶学的出现(查普曼等。, 2011). 在这种新颖的方法中,在室温(RT)下收集数万到数十万个“静止”晶体的数据,所有这些晶体都具有不同的、或多或少随机的取向。相比之下,PDB中沉积的近94000个X射线结构中的绝大多数是通过在低温(通常为100K)下从X射线束中旋转的单晶收集的数据获得的。与RT相比,这种低温将数据收集期间晶体中累积的辐射损伤减少了约100倍,并降低了结构信息(Nave&Garman,2005)). 然而,要付出的代价是对蛋白质构象异质性和动力学的了解减少(Motlagh等。, 2014; 弗雷泽等。, 2011). 已开发出动力学晶体学方法来克服低温晶体学结构的静态性质,但没有一种方法是普遍适用的(Bourgeois&Royant,2005). 可以说,需要在RT中收集高分辨率X射线数据的方法来更好地理解结构和动力学之间的相互作用,以及它们如何协同产生蛋白质功能(Weik&Colletier,2010).
XFEL在5–50 fs脉冲中传输的光子数量大约与第三代同步加速器的插入设备束线在一秒钟内传输的光子数相同。这种短曝光可以在晶体被强烈的X射线脉冲破坏之前收集RT衍射数据(Chapman等。, 2011; Neutze公司等。, 2000). 在XFEL,样品通常通过注入器在X射线束上流动。由于晶体在暴露于X射线的过程中几乎静止不动(没有振荡或翻滚)互易空间为每个记录。因此,要生成完整的数据集,需要以一种称为“串行飞秒晶体学”(SFX;Chapman等。, 2011). 在过去的四年里,这种方法已经证明了它的威力,尤其是通过从亚微米级晶体(Boutet等。, 2012; 科普曼等。, 2012; 雷德克等。, 2013; 萨瓦亚等。, 2014; 史蒂文森等。, 2014). XFEL还有望很快实现亚皮秒时间分辨结构研究,这在第三代同步辐射(SR)源上在技术上是不可行的(Neutze,2014). 这些SFX的发展伴随着积极的软件开发,以应对从静止晶体中收集的三维倒数切片的厚度以及实验期间产生的大量数据。
在SFX中,样品通常通过气动虚拟喷嘴(GDVN)型注射器呈现给X射线束。GDVN可用于压缩水晶体流,从而产生液体喷射(DePonte等。, 2009). 它们还可用于推动含晶体的脂质立方相(LCP)穿过X射线束(Weierstall等。, 2014). 液体GDVN注射器需要大量样品(数百毫克),因此仅适用于生产、纯化和结晶简单且流线型的目标。LCP注射器速度较慢,因此相对经济(<1 mg),但适合包埋在LCP中的蛋白晶体的范围尚不清楚。此外,将晶体重新投入LCP可能很困难,LCP注射器可能会出现干燥和相变。一种可能的替代方法是将晶体嵌入矿物油脂中,并使用LCP注射器使其流过X射线束(Sugahara等。, 2015). 已经描述了一种纳米流电纺丝注射器,其中使用高电压而不是高压使晶体流过X射线束(Sierra等。, 2012). 使用该技术可将所需的样品量减少至数百微克(Sierra等。, 2012),但要求晶体生长在粘性母液中或可转移到粘性母液。还描述了一种基于声波液滴喷射的系统(Soares等。, 2011). 所有这些方法的共同点是,晶体完全淹没在溶剂中,导致高起伏的背景散射,使数据处理变得复杂。因此,替代样品处理方法是SFX进一步出现所需的最关键发展之一。最近,提出了一种从固定目标上干燥的晶体样品中收集数据的方法(Hunter等。, 2014)以及基于测角仪的SFX方法(科恩等。, 2014).
SR源的全球可用性增加了目前在XFEL进行的一些实验可能在同步加速器上进行的可能性。如前所述,XFEL引发的兴奋使科学程序员在处理和处理数以百万计的衍射图案方面面临挑战,这使得现在可以处理串行晶体学数据,而不必考虑所采集的X射线源。到目前为止,至少存在两个主要的软件套件:CrystFEL公司(白色等。, 2012)和cctbx.xfel公司(绍特等。, 2013). 最近讨论了两个软件套件处理方法中的细微差别(Sawaya等。, 2014).
2014年初,一项开创性的研究报告了关于布氏锥虫组织蛋白酶B晶体(CatB)安装在110 K的尼龙环中(Gati等。, 2014). 采用光栅扫描和振荡相结合的方法收集数据,利用4×5µm的光束照射均匀间隔(5µ米)的尼龙圈含量,同时在整个扫描过程中将尼龙圈摆动90°。因此,是一个三维楔形物,而不是倒格子,在每次接触时收集。最近,另一个财团报告了在RT时从毛细管内流过6×9µm X射线束的溶菌酶晶体(Stellato等。, 2014). 使用这种新方法,作者能够收集到~1.6×106约17h内的帧,其中~40×10三已成功编制索引。共消耗2.5 ml结晶浆液,相当于250 mg蛋白质。事实证明,数据质量很好[从统计指标来看,如R(右)分裂, 〈我/σ(我)〉,CC1/2和冗余],产生2.1º的分辨率结构,与在低温下收集振荡数据获得的分辨率结构相当。这种方法的两个引人注目的优点是:(i)在曝光时间内,可以从毛细管内滚动的晶体中收集伪振荡数据;(ii)可以以无快门的方式获取帧,从而在理论上将曝光时间减少到检测器读出的极限。然而,剩下的问题包括所消耗的样本量和总体成功率。因此,对于生产和结晶无法达到生产规模的蛋白质,仍然需要一种更经济的方法。
在本研究中,我们报告了一种替代的串行同步辐射晶体学方法,允许在RT和纯光栅扫描模式下收集数据;也就是说,不振荡晶体。为了证明这一概念,我们使用了鸡-鸡-蛋清溶菌酶的四方微晶,以便将我们的数据与SFX(Boutet等。, 2012)和SSX(Stellato等。, 2014). 为了确定在SR设施进行此类实验的最小光束尺寸,使用微聚焦或纳米聚焦光束收集数据。样品在氮化硅(Si三N个4)三明治,从而避免样品干燥,同时限制背景散射和样品消耗。使用纳米峰细胞,一种新的基于多处理和GUI驱动的Python预分析软件。对数据进行了进一步处理CrystFEL公司,使用微聚焦和纳米聚焦光束收集的结构被细化到1.7°分辨率。我们建议使用RT光栅扫描序列蛋白质晶体学,使用SR微聚焦和纳米聚焦光束,作为从微米级晶体收集高分辨率结构数据的替代方法。该方法节约且几乎无需处理,因此可用于易碎和稀少的微晶样品。
2.材料和方法
2.1. ESRF微焦点光束线(ID13)的说明
ID13是一种多功能光束线,为ESRF用户提供强微聚焦(0.3–2.5µm,微分支,EH2)和纳米聚焦(100–500 nm;纳米支,EH3)束。用于产生微束的聚焦光学元件是由56个单透镜组成的Be基复合折射透镜(CRL)。每个透镜的顶点曲率半径为50µm。对于交叉几何形状的纳米光束、硅基线性复合折射透镜(所谓的NFL透镜;Schroer等。, 2005)使用。
在ID13的微支路上,使用平移台(德国米科斯)进行样品定心和定位,在x个/年方向(HPS-170)和总行程范围为160 mm,垂直方向(UPL-160)上的增量步长为100 nm,行程范围为25 mm。在纳米支路中,进行样品定心和扫描通过a P622K075压电陶瓷z(z)级(垂直方向)安装在P622K074压电陶瓷上xy公司阶段。安装在ID13纳米装置上的最小增量运动在垂直方向为10 nm,在两个水平方向为20 nm。压电级的这种布置安装在M-810微型六足动物上。压电级和六足动物由Physik-Instrumente(德国卡尔斯鲁厄PI GmbH)制造。六足和压电级可以分别在约10 mm和250µm的距离上在三个空间维度上平移。
使用ESRF构建的Frelon 4M CCD面积探测器记录衍射数据,该探测器具有2048×2048像素和50µm像素大小(Coan等。, 2006)在2×binning模式下(1024×1024像素和100µm像素大小;~0.35 s读出时间)。在光栅扫描模式下收集数据,即在垂直于入射光束的两个方向上通过焦点平移样品。
2.3. 数据整理和处理
无论数据是在XFEL还是SR源中收集的,串行晶体学中的一个主要挑战是命中率查找。此外,必须减去背景散射,以便准确测量衍射强度(Boutet等。, 2012). 然而,必须谨慎地进行数据校正。事实上,在给定的体积内,晶体和溶剂是互斥的,所以要减去的背景量需要按每张纸进行缩放。针对Frelon CCD相机的使用,还必须对原始图像进行畸变校正和平场校正(计量校正)。总之,这些需求促使我们对一个多处理、基于GUI驱动的Python的命中查找器和校准器进行编码,我们将其命名为纳米峰细胞执行操作的流程图纳米峰细胞如图2所示(一)并包括将图像(支持的输入格式包括EDF、SMV、MCCD、CBF、TIFF、HDF5、SACLA-HDF5和LCLS-XTC)转换为合适的格式,以便使用CrystFEL公司(HDF5格式)和/或cctbx.xfel公司(“pickle”格式),以及生成运行所需的参数文件和脚本CrystFEL公司以用户友好的方式(图2b). 值得注意的是,纳米峰细胞不仅选择点击(即具有实际衍射点的帧),但还检查是否存在足够数量的(用户提供的)此类像素以允许进一步索引。为了允许确定串行数据集的有效分辨率极限,纳米峰细胞此外,还可以动态地对选定的点击进行最大投影(参见补充图S1)。最后,纳米峰细胞使用局部最大值算法执行Bragg-peak查找,如果用户选择此输出格式,则将峰值列表输出到HDF5文件的补充数据集中,否则输出到文本文件中。这样可以快速消除空白和低分辨率图像。当使用在CrystFEL公司以及在中实施的纳米峰细胞然而,使用后者可以避免花费时间优化CrystFEL公司因此,在这项工作中,使用纳米峰细胞和峰值位置被输入CrystFEL公司(使用--峰值=hdf5中的选项索引标记模块)用于索引(Kirian等。, 2011; 白色等。, 2012, 2013).纳米峰细胞安装在ESRF ID13微聚焦(ID13-EH2)和纳米聚焦光束线(ID13/EH3)上,可以通过GUI或命令行进行控制,其开发仍在继续。微观和纳米数据集的典型原始和校正图像如图3所示有关的其他详细信息纳米峰细胞其在各种设施(包括ESRF、LCLS和SACLA)的使用将在其他地方发布。
| 图2 新的纳米峰细胞串行晶体学预分析软件。(一)执行操作的工作流纳米峰细胞. (b)的图形用户界面(GUI)概述纳米峰细胞在左侧,用户可以定义重要的实验参数,以及在命中率查找和峰值查找过程中使用的参数值(红色插图)。在左下角,用户可以选择要执行的更正和保存点击的输出格式(红色插图)。每个点击都显示在中央面板上,布拉格峰周围有黄色圆圈。纳米峰细胞也可以用作数据可视化程序。右侧面板专用于显示调整,并允许以前运行的纳米峰细胞重新装载进行检查。用户还可以使用纳米峰细胞以任何支持的格式查看原始数据。 |
| 图3 数据校正和寻找布拉格峰。(一), (b)和(c(c))显示之前微观数据集的相同衍射图案(一)以及之后(b,c(c))背景减法。(c(c))显示了布拉格峰纳米峰细胞在这个衍射图样中。同样(d日), (e(电子))和((f))显示之前纳米数据集的相同衍射图案(d日)以及之后(e(电子),(f))背景减法。布拉格峰由纳米峰细胞在中高亮显示((f))(黄色圆圈)。 |
数据处理使用CrystFEL公司(基里安语等。, 2011; 白色等。, 2012, 2013).CrystFEL公司索引依赖于MOSFLM公司(鲍威尔等。, 2013),迪拉克斯(杜森伯格,1992年)和XDS公司(Kabsch,2010年). Bragg-peak积分是在CrystFEL公司,具有五个、七个和九个像素的同心环,分别确定峰值、缓冲区和背景区域。三维强度剖面半径为5×10−4 Å−1实验测定了微聚焦光束和纳米聚焦光束的发散(表1). 使用蒙特卡罗积分对积分强度进行合并CrystFEL公司(基里安语等。, 2011; 表2).
数据集名称 | 保守微观 | 保守型纳米 | 保守还原纳米 | 渐进式微型 | 渐进式纳米 | 渐进还原纳米 | “空间”组 | P(P)4三212 | 单位-细胞参数 | 一=b(Å) | 78.0 ± 0.3 | 78.0 ± 0.2 | 78.0 ± 0.2 | 78.0 ± 0.2 | 78.0 ± 0.2 | 78.0 ± 0.2 | c(c)(Å) | 38.3 ± 0.3 | 38.5 ± 0.2 | 38.5 ± 0.2 | 38.3 ± 0.3 | 38.5 ± 0.2 | 38.5 ± 0.2 | α=β=γ(°) | 90 | 90 | 90 | 90 | 90 | 90 | 收集的图像数量 | 69319 | 139985 | 不适用 | 69319 | 139985 | 不适用 | 点击次数 | 6862 | 58647 | 不适用 | 6862 | 58647 | 不适用 | 分辨率(Ω) | 50–1.95 (2.05–1.95) | 50–1.85 (1.95–1.85) | 50–1.95 (2.05–1.95) | 50–1.70 (1.78–1.70) | 50–1.70 (1.78–1.70) | 50–1.70 (1.78–1.70) | 索引图像的数量 | 5966 | 46516 | 5966 | 5966 | 46516 | 5966 | 反射次数 | 1448031 | 9069707 | 1036661 | 1594657 | 10710039 | 1371898 | 独特反射次数 | 9091 | 10640 | 9132 | 13543 | 13608 | 13606 | 完整性(%) | 100 (100) | 100 (100) | 100 (100) | 100 (100) | 100 (100) | 100 (100) | 平均多重性 | 159 (70) | 852 (644) | 114 (86) | 115 (18) | 787 (430) | 101 (61) | 〈我/σ(我)〉 | 4.5 (2.4) | 8.4 (2.4) | 3.5 (1.5) | 3.5 (0.6) | 6.8 (0.9) | 2.5 (0.3) | R(右)分裂半数据集的强度一致性† | 0.172 (0.390) | 0.064 (0.375) | 0.200 (0.586) | 0.178 (1.339) | 0.066 (1.155) | 0.208 (3.352) | R(右)合并(我) | 0.238 (0.541) | 0.090 (0.523) | 0.275 (0.800) | 0.247 (1.743) | 0.093 (1.697) | 0.286 (4.643) | R(右)合并(F类) | 0.146 (0.280) | 0.067 (0.221) | 0.165 (0.316) | 0.163 (0.486) | 0.074 (0.387) | 0.177 (0.440) | 科科斯群岛1/2半数据集的相关性‡ | 0.99 (0.94) | 0.99 (0.98) | 0.98 (0.94) | 0.99 (0.66) | 0.99 (0.85) | 0.99 (0.50) | 威尔逊B§(Å2) | 32 | 38 | 35 | 34 | 42 | 42 | R(右)自由的 | 0.264 | 0.245 | 0.261 | 0.255 | 0.239 | 0.264 | R(右)工作 | 0.214 | 0.230 | 0.203 | 0.226 | 0.204 | 0.223 | R.m.s.与理想值的偏差¶ | 债券(澳元) | 0.006 | 0.006 | 0.005 | 0.006 | 0.006 | 0.005 | 角度(°) | 0.872 | 0.901 | 0.929 | 0.864 | 0.935 | 0.878 | 平均B值(Ω2) | 39.9 | 62.3 | 44 | 40.8 | 44.20 | 45.20 | 冲撞得分†† | 6.31 | 4.23 | 3.11 | 5.34 | 4.23 | 5.17 | 拉马钱德兰阴谋†† | 最受欢迎 | 98.5 | 98.5 | 97 | 97.7 | 98.5 | 97.8 | 允许 | 1.5 | 1.5 | 3 | 2.3 | 1.5 | 2.2 | 不允许的 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 旋转器异常值†† | 0 | 2.7 | 2.7 | 0 | 1.8 | 3.5 | PDB条目 | 第4轮第7轮 | 第4轮第6轮 | 不适用 | 4瓦1 | 4周7 | 不适用 | | †如白色定义等。(2012). 如Karplus&Diederichs(2012)所定义). §计算依据截断(French&Wilson,1978))在中央对手方清算所4(Winn等。, 2011). ¶如Engh&Huber(1991)所定义). ††根据摩尔概率(陈)等。, 2010). |
使用保守的〈进行初始数据处理我/σ(我)\9002(>2)和R(右)分裂(~50%)标准来确定最高分辨率的外壳。根据这些标准,微数据集和纳米数据集的分辨率分别为1.95和1.85º(表2). 这两个数据集及其相应的结构被称为“保守微观”和“保守纳米”。保守数据集的统计数据如表2所示,质量上乘R(右)分裂,抄送1/2和威尔逊B因素。补充图S2显示了数据质量指标的趋同,如R(右)分裂和CC1/2作为分辨率和图像数量的函数。它表明在两个数据集中CC1/2分辨率为1.7º时的数值仍远高于Karplus&Diederichs(2012)建议的0.135限值). 在索引图案的最大投影的方位角积分中,也可以看到两个数据集中达到该分辨率的衍射信号的存在(补充图S1)。因此,我们执行了一个更渐进的集成,其中CC1/2和迭代对精炼(Karplus&Diederichs,2012年)使用了,而不是严格的〈我/σ(我)〉和R(右)分裂确定高分辨率截止值的标准。这两个1.7°分辨率的数据集及其相应的结构被称为“渐进微”和“渐进纳米”。渐进纳米(或渐进微)数据集和保守纳米(或保守微)数据组之间的唯一区别就是分辨率截止。
为了确定与微观数据集相比,纳米数据集(保守数据集和渐进数据集)的统计数据更好,是图像数量更多还是光束尺寸更小,我们还通过在纳米数据集中随机选择生成了“简化的纳米”数据集,相当于生成微数据集所用的点击次数。因此,使用相同数量的索引模式生成渐进还原纳米和保守还原纳米数据集,这两个数据集仅在分辨率截止点上有所不同。
数据转换为mtz格式并由分阶段分子置换使用相位器(麦考伊等。, 2007)带有PDB条目1ljn公司(Harata和Kenai,2002年)作为起始模型。为了验证我们数据集中包含的结构信息是否允许自动建模,我们尝试使用菲尼克斯汽车使用默认设置(Terwilliger等。, 2008). 这些图谱是用六种不同的溶菌酶模型进行的分子置换试验生成的。前三个模型由来自残基1–127(全蛋白)、1–65(N端半)或66–127的主链和侧链原子组成。其余三个由残基1–127、1–65或66–127的主链原子组成。在所有情况下,重建了约98%的主链和90-98%的侧链(补充表S1)。
通过往复空间和真实空间的迭代循环来细化结构精细化。倒数空间精炼使用菲尼克斯软件套件(Adams等。, 2010)包括精炼坐标和原子位移参数(B因素)。实际空间中的手动修改使用库特(埃姆斯利和考坦,2004年). 无偏精致2毫发o个−DF公司c(c)和毫发o个−DF公司c(c)电子密度图如图4所示(一)和4(b)用于两个渐进数据集。为了进一步评估这些数据的质量,从模型和交互空间中删除了残基96–116精炼进行了(八个位置循环和B-因子精细化,包括两个模拟退火循环)。在结果2中毫发o个−DF公司c(c)从这两个数据集得到的图中,可以在省略的残基周围观察到准完美电子密度(图4c(c)和4d日).
| 图4 无偏2毫发o个−DF公司c(c)OMIT电子密度图。(一,b)无偏2中Trp108周围电子密度的概述毫发o个−DF公司c(c)OMIT电子密度图(轮廓级别1.2σ)从渐进微观计算(一)和渐进式纳米(b)数据集。(c(c),d日)无偏2毫发o个−DF公司c(c)电子密度图(轮廓水平1.2σ)从微观上计算(c(c))和纳米(d日)数据集使用缺乏残基96–116的溶菌酶截断模型作为起始模型。残留物96–116显示为粉色棒,而用于生成地图的残留物显示为带状图。电子密度图显示在(c(c))和(d日)覆盖残基96-116中的几乎所有原子突出了渐进微观和渐进纳米数据集中包含的结构信息的质量。 |
我们试图将我们的数据集(保守微观和保守纳米)与之前发布的各种HEWL数据集进行比较,包括(i)在100K(PDB入口)下使用传统振荡方法收集的两个低剂量数据集1伏; S.Aibara、A.Suzuki、A.Kidera、K.Shibata、T.Yamane、L.J.DeLucas和M.Hirose,未出版作品;旋转阳极上收集的数据)或RT(PDB条目3泽克;就地同步加速器束线上的数据采集;平克等。, 2013),(ii)使用40 fs XFEL脉冲(PDB输入)在真空和RT中收集的SFX数据集4等8; 布泰等。, 2012)和(iii)通过将晶体浆液流过同步辐射X射线束(PDB入口),在RT中收集SSX数据集4到34岁; 斯特拉托等。, 2014). 在下面,这些数据集(PDB条目1伏/秒,3泽克,4等8和4到34岁)分别称为“低剂量100 K”、“低剂量295 K”、‘SFX’和‘Flow-SSX’。数据集使用电子秤从中央对手方清算所4(Winn等。, 2011; 补充图S3和S4)。未加权的R(右)国际标准化组织不同数据集之间的值很高,这表明存在非同构,而单元间参数的编译则指向所有数据集(以及生成的结构)都是同构的。解释这种明显缺乏同构的一个可能假设是,它是由蒙特卡洛积分引入的强度分布误差引起的。因此,正如Schlichting及其同事之前观察到的那样,加权R(右)系数大大降低(布特等。, 2012)尤其是在低分辨率下。然而,加权R(右)由于信噪比估计和缩放中存在多个系统误差,因子可能不是直接比较使用不同方法收集的数据集的最合适的度量。无论如何,与使用Flow-SSX或SFX收集的数据相比,我们的数据往往更符合使用传统方法收集的数据。一种可能的解释是,各种串行数据集的蒙特卡罗积分过程中引入的错误在缩放过程中累积。
结构因子振幅傅里叶差(F类o个−F类o个)在结构因素振幅差异为问-加权以改善他们的估计(Colletier等。, 2007).F类o个−F类o个数据集之间的映射我和j因此,使用观测到的数据集结构因子振幅进行计算我和j和根据模型计算的相位我,即[量子阱(F类o个j−F类o个我)]经验(−我φj). 为了进行比较,所有F类o个−F类o个地图的分辨率为2.1º(即Flow-SSX数据集的分辨率)。这些数字是用PyMOL公司(薛定谔),gnuplot卫星或自制的Python脚本。
3.结果
3.3. 辐射损伤
已经表明,超过29MGy的限制,在100K下从蛋白质晶体获得的生物信息受到损害(Owen等。, 2006). 在RT条件下,辐射损伤的程度增加了约100倍(Nave&Garman,2005),表明剂量限制为0.3 MGy。这里,对于微观和纳米数据集,每个衍射图案以及每个数据集的剂量分别为3.2和29.1 MGy。因此,预计会发生强烈的辐射损伤,尤其是在二硫化物桥等高度辐射敏感的部位。因此,我们观察到,在结构因子振幅傅里叶差(F类o个−F类o个)我们的数据集和在100 K(低剂量100 K)和RT(低剂量295 K)下收集的低剂量数据集之间计算的映射,强负峰(-4σ)在HEWL的S原子上,尤其是在二硫键上(图5一). 有趣的是,我们观察到二硫键桥Cys64–Cys80在RT时对辐射最敏感,而Cys30–Cys115在100 K时最敏感(Sutton等。, 2013). 然而,具体损害在2中并不明显毫发o个−DF公司c(c)和毫发o个−DF公司c(c)地图,表明微观和纳米数据集中的二硫键没有断裂(图5b). 研究表明,在X射线损伤后,二硫键桥收缩(Sutton等。, 2013)和/或伸长(卡彭提尔等。, 2010; 魏克等。, 2002)在断裂之前。因此,在我们的结构中,二硫键桥可能被困在其中一个中间阶段。无论如何,图5(b)表明在我们的数据集中,辐射损伤的程度是有限的,因此结构信息尚未受到损害。
| 图5 在微观和纳米数据集中都观察到特定的辐射损伤,但不会损害结构信息。(一)结构因子振幅傅里叶差(F类o个−F类o个)我们计算了我们的数据集(保守微型和保守纳米)和其他四个HEWL数据集之间的映射:SFX数据集、Flow-SSX数据集和两个收集于100或295的低剂量数据集这些地图显示在溶菌酶的四个二硫键周围,红色和绿色轮廓分别表示负密度和正密度。(b)无偏2毫发o个−DF公司c(c)(蓝色;轮廓级别1.0σ)和毫发o个−DF公司c(c)(红色和绿色;轮廓水平±3σ)地图显示在溶菌酶的四个二硫键周围。 |
大约高出10倍通量密度与微数据集相比,纳米聚焦光束的辐射损伤可能更高。然而,令人惊讶的是F类o个微型的−F类o个纳米技术map并没有表明纳米结构中的二硫键受到更强的损伤。相反,它揭示了一个小(−3σ)RT(Cys64–Cys80)最灵敏的二硫键处出现负峰,表明微数据集比纳米数据集受损更严重。因此,这一观察结果的一个可能的理由是,对于纳米数据集的更高剂量率(291 MGy s−1)一个滞后相位延迟特定辐射损伤出现的情况。为了证实或推翻这个假设,还需要进行额外的实验。
我们还努力将我们的数据与其他串行晶体学方法(SFX和Flow-SSX;参见§2) 在相同系统(HEWL)和相同温度(RT)下。表3表明这三种结构在以下方面大致相当R(右)分裂(SFX、Flow-SSX和保守纳米数据集分别为0.158、0.077和0.064),〈我/σ(我)〉(分别为7.4、8.1和8.4),CC1/2(SFX数据集未给出;Flow SSX和保守性纳米数据集分别为0.99和0.99),分辨率(分别为1.9、2.1和1.85Å),R(右)工作(分别为0.196、0.180和0.230)和R(右)自由的(分别为0.229、0.230和0.245)。然而,剂量和剂量率分别为33 MGy和8.3×1014 MGy公司−1分别用于SFX数据集(Boutet等。, 2012)以及0.3 MGy和100 MGy−1分别用于Flow-SSX数据集(Stellato等。, 2014). 因此,Flow-SSX数据集在剂量率(100与2.91亿美元−1)但不包括剂量(0.3与291 MGy)。SFX数据集在剂量(33与29.1毫克−1)但不包括剂量率(8.3×1014 与2.91亿美元−1). 然而,辐射损伤在两个F类o个SFX公司−F类o个纳米技术和F类o个流量-SSX−F类o个纳米技术傅里叶差分图(图5一). 这是预期的结果;XFEL脉冲的短确实允许在辐射损伤发生之前发生衍射,而减少的剂量加上相对较高的剂量率,可以缓解Flow-SSX研究中出现的特定损伤。总之,这三种方法产生的数据质量相当,这表明我们的光栅扫描方法可能是一种有用的替代方法,可以从稀缺的晶体样品中收集系列晶体学数据。我们的数据集比SFX和Flow-SSX的数据集受到的辐射破坏更大,这是公认的,但这似乎并没有显著改变结构信息的质量。
实验类型 | SFX,40 fs脉冲(Boutet等。, 2012) | SFX,5 fs脉冲(Boutet等。, 2012) | 流量-SSX(Stellato等。, 2014) | 光栅扫描SSX,保守微 | 光栅扫描SSX,保守型纳米 | PDB条目 | 4等8 | 4等9 | 4到34岁 | 4工作组1 | 4周7 | 每个晶体的剂量†(百万美元) | 33 | 2.9 | 0.3 | 3.2 | 29.1 | 剂量率(MGy s−1) | 8.3 × 1014 | 5.8 × 1014 | 100 | 16 | 291 | 单位-细胞参数(Ω) | 一 | 79 | 79 | 79.5 ± 0.3 | 78.0 ± 0.3 | 78.0 ± 0.2 | b | 79 | 79 | 79.4 ± 0.2 | 78.0 ± 0.3 | 78.0 ± 0.2 | c(c) | 38 | 38 | 38.4 ± 0.2 | 38.3 ± 0.3 | 38.5 ± 0.2 | 辐照体积上限‡(微米三) | 三 | 三 | 125 | 75 | 0.5 | 分辨率(Ω) | 35.90–1.90 (2.00–1.90) | 35.90–1.90 (2.00–1.90) | 39.65–2.10(不适用) | 50–1.95 (2.05–1.95) | 50–1.85 (1.95–1.85) | 〈我/σ(我)〉 | 7.4 (2.8) | 7.3 (3.1) | 8.1 (1.9) | 4.5 (2.4) | 8.4 (2.4) | R(右)分裂§ | 0.158(不适用) | 0.159(不适用) | 0.077 (0.540) | 0.172 (0.390) | 0.064 (0.375) | R(右)合并(我) | 不适用 | 不适用 | 不适用 | 0.238 (0.541) | 0.090 (0.523) | R(右)合并(F类) | 不适用 | 不适用 | 不适用 | 0.146 (0.280) | 0.067 (0.221) | 科科斯群岛1/2¶ | 不适用 | 不适用 | 0.99 (0.90) | 0.99 (0.94) | 0.99 (0.98) | 威尔逊B††(Å2) | 28 | 29 | 44 | 32 | 38 | R(右)自由的 | 0.229 | 0.227 | 0.230 | 0.264 | 0.245 | R(右)工作 | 0.196 | 0.189 | 0.180 | 0.214 | 0.230 | R.m.s.与理想值的偏差 | 粘结长度(Ω) | 0.006 | 0.006 | 0.007 | 0.006 | 0.006 | 粘结长度(°) | 1 | 1.030 | 1.080 | 0.872 | 0.901 | 收集的帧数 | 1.47 × 106 | 1.99 × 106 | 1.50 × 106 | 0.07 × 106 | 0.14 × 106 | 命中率(%) | 4.5 | 2 | 11.2 | 9.9 | 41.9 | 索引帧数 | 12247 | 10575 | 40233 | 5966 | 35446 | 指数化率(%) | 18.4 | 26.4 | 24 | 86.9 | 79.3 | 整体索引率(%) | 0.83 | 0.53 | 2.67 | 8.60 | 33.23 | | †按以下公式计算放射性剂量(派哈扎尔等。, 2009). 光束表面乘以晶体的最大尺寸(如果光束小于晶体)或晶体体积(如果光束大于晶体)。 §定义见白色等。(2012). ¶如Karplus&Diederichs(2012)所定义). ††根据截断(French&Wilson,1978))在中央对手方清算所4(Winn等。, 2011). |
4.讨论
我们报道了一种利用光栅扫描串行数据采集从RT大分子晶体中采集高分辨率结构数据的新方法。使用微聚焦(ID13-EH2)或纳米聚焦(ID13-EH3)光束,从ESRF ID13光束线上的四方HEWL晶体收集了两组数据。硅中的晶体被呈现给X射线束三N个4RT下的三明治(图1). 在整个实验期间,包括对照组,消耗了1 mg结晶样品。
为了检测撞击并校正探测器的畸变和背景散射(图3),我们开发了基于Python的软件纳米峰细胞(图2)它以及时(多处理)和用户友好(图形用户界面)的方式执行这些任务。纳米峰细胞使用FabIO库(Knudsen等。, 2013)因此,它能够处理来自各种探测器类型的数据,包括ADSC、MAR CCD和Pilatus探测器。它还可以读取HDF5、SACLA-HDF5和LCLS-XTC文件,因此可以用于处理XFEL数据(详细信息将在别处发布)。纳米峰细胞可以以EDF(欧洲数据格式)、HDF5(适用于CrystFEL公司)和/或“pickle”(适用于cctbx.xfel公司)格式。在后一种情况下,数据被自动填充,以使光束中心与图像中心匹配,这是当前处理数据所需的cctbx.xfel公司.纳米峰细胞也可以为生成输入文件CrystFEL公司(几何和光束描述),并计算实时修正数据的最大投影(补充图S1c(c)和S1d日). 最后,纳米峰细胞可以对校正后的图像执行Bragg-peak搜索(图2和3); 生成的峰值列表要么包含在HDF5文件的补充数据集中,要么打印在文本文件中。这个纳米峰细胞峰值列表可用作调整指南CrystFEL公司和/或cctbx.xfel公司点对点参数,或直接输入CrystFEL公司用于索引。在索引测试中,使用CrystFEL公司或在纳米峰细胞,获得了类似的索引率(未显示)。虽然峰值搜索速度更快CrystFEL公司比中的纳米峰细胞,计算成本很小,如果纳米峰细胞用于执行命中率查找和数据校正。
索引、集成和合并使用CrystFEL公司(表2). 微观和纳米数据集均获得了良好的统计数据,表明使用微聚焦或纳米聚焦光束对SSX进行光栅扫描是RT大分子X射线晶体成像的一种很有前景的方法。微观数据集进一步支持,至少在分子再置换模型可用时,约6000次索引点击足以获得相当好的结构(图4一和4c(c),表2). 值得注意的是,为了生成这种质量的数据集,必须进行背景减法。
根据统计指标判断,如〈我/σ(我)〉,CC1/2和R(右)分裂用于原始数据,以及R(右)自由的和R(右)工作对于精细结构,使用光栅扫描SSX获得的数据与SFX和Flow-SSX生成的数据质量相当(表3). 最公平的比较是Flow-SSX和纳米数据集之间的比较,因为两者都是使用相似数量的图像生成的(~40 000与~分别用于在类似X射线源上收集的Flow-SSX和nano数据集的46000索引帧)。两种方法的不同之处在于晶体呈现程序(Flow-SSX中的晶体流与在本研究中,将晶体固定在固体载体上),束流尺寸(6×9µm与0.15×0.175µm),每个晶体的剂量(0.3与29.1 MGy)和剂量率(100与2.91亿美元−1). 当然,更高R(右)分裂和更低的〈我/σ(我)在渐进纳米数据集的最高分辨率外壳中观察到值(表2和3)考虑到我们有意在渐进式集成中应用不太严格的分辨率截止值。事实上,我们依赖于从索引模式(补充图S1)的最大投影中观察探测器边缘的信号以及随后执行的迭代对精炼分析(补充图2)确定渐进数据集的分辨率截止值。然而,当高分辨率极限标准相同时,光栅扫描和Flow-SSX方法生成的统计数据质量相似,即〈我/σ(我)〉>2(Flow-SSX和保守纳米数据集分别为1.9和2.37)和R(右)分裂≤~50%(对于Flow-SSX和保守纳米数据集,分别为54.0和37.5%)。值得注意的是,与Flow-SSX数据集的2.1º分辨率相比,保守的纳米数据集扩展到1.85º分辨率。然而,与Flow-SSX数据集的1755(1281)相比,我们保守的纳米数据集的冗余度较低,为787(最高分辨率外壳中为430)。至少有三个因素可能导致这种情况:用于CrystFEL公司积分(5×10−4 Å−1在本研究中;不适用于Flow-SSX数据集)、光束发散(分别为0.3和1.0 mrad)以及在流动方法中,晶体在曝光过程中不会保持静止,但有时会滚动,从而导致伪振荡。
无论如何,很明显,我们的数据集比SFX(Boutet等。, 2012)和Flow-SSX(Stellato等。, 2014)(图5一). 事实上,为了弥补通量以及纳米聚焦光束线处相对较小的辐照体积(上限为0.5µm三)纳米数据集是使用每张图像的剂量(29.1 MGy)收集的,刚好低于Garman及其同事定义的实验剂量限制(30 MGy;欧文等。, 2006)除此之外,在100K下从大分子晶体收集的累积信息会受到影响。微观数据集是使用大约低十倍的剂量收集的,即3.2万美元。鉴于辐射损伤在室温下比在100K下的速度快约100倍(Nave&Garman,2005),RT剂量极限的理论估计值为0.3 MGy,这意味着微数据集和纳米数据集分别过量了10倍和100倍。因此,在F类o个 − F类o个在我们的数据集和在100K的旋转阳极上收集的低剂量数据集之间计算的图谱就地RT时(图5一). 具体损坏也可见于F类o个−F类o个在我们的数据集和SFX或Flow-SSX数据集之间计算的映射(图5一).
然而,在没有偏见的2毫发o个−DF公司c(c)和毫发o个−DF公司c(c)从微观和纳米数据集计算出的地图。更重要的是,结构信息被证明具有足够的质量,可以使用部分搜索模型(低至总原子的20%)和准完整主链(98%)和侧链(90-98%)拟合HEWL序列的结果图(补充表S1)进行MR定相。对于我们的数据中观察到的有限损伤,特别是纳米数据集中观察到的损伤,一个可能的解释是,当X射线以非常高的剂量率(16和291 MGy−1分别用于微数据集和纳米数据集)。已经表明,在高剂量率下收集数据会延迟RT辐射损伤的出现(Owen等。, 2014; 索斯沃斯·戴维斯等。, 2007). 无可否认,欧文在研究中使用的最高剂量率等。(2014)是25 MGy−1和滞后相位所有蛋白质的持续时间约为500kGy,而在我们的实验中,纳米数据集在1.7毫秒内就可以传输500kGY。因此,500 kGy滞后相位将在每个图像的曝光时间(0.1 s)内很好地过期。因此,对于纳米数据集的更高剂量率(291 MGy s−1)进一步的滞后相位发生。微观数据集(16 MGy−1)似乎比纳米数据集支持这一假设的损坏程度更大(图5一). 此外,还需要额外的实验来证实或抛弃这个假设。
存在各种各样的样本呈现策略,这些策略要么已经被使用,要么符合SSX。其中包括通过毛细管(Stellato)在X射线束上流动的晶体等。, 2014)液体喷射器(DePonte等。, 2009; 齿状山脊等。, 2012)或脂质立方相注射器(Weierstall等。, 2014)或使用声波将其喷射成液滴(索尔斯等。, 2011). 固体支架也用于收集振动数据(Zarine-Afsar等。, 2012)或静止镜头(盖伯哈特等。, 2014; 亨特等。, 2014). 这里,我们使用了Si三N个4薄膜夹层将晶体呈现给X射线束。这种方法具有优势,包括所需的少量微晶样品(与Stellato研究中的250毫克蛋白质相比,1毫克蛋白质等。, 2014)、可调节的命中率(微纳数据集分别为~10%和40%)、高索引率(微纳米数据集分别是85%和80%)和最小的背景散射。此外,拟议的安装程序几乎无需操作,这表明它可以用于脆弱的微晶。鉴于生物材料固有的灵活性,RT的数据收集是另一个优势。当然,这比光栅扫描SSX和其他串行晶体学方法在低温下的振荡数据采集具有优势。提出光栅扫描SSX可用于动力学晶体学实验是很诱人的,在该实验中,光源用于“泵送”大分子晶体系统(光驱动蛋白质或光不敏感蛋白质与可光解笼状化合物的复合物)X射线束被用来“探测”由此产生的结构(Bourgeois&Royant,2005; 科勒捷等。, 2007). 可达到的时间分辨率基本上受到X射线脉冲长度和探测器读数的限制,因此可以在微秒到秒的时间尺度上进行时间分辨结构研究,即与蛋白质动力学有关。在“射击和陷阱”实验的框架中,X射线也可以用作泵和探针(科利蒂尔等。, 2008)或在结构上以无振荡的方式监测RT辐射损伤的外观和演变,从而避免损伤累积。观察到Cys64–Cys80二硫键在RT时是最敏感的辐射(图5一),而不是100 K时的Cys30–Cys115(萨顿等。, 2013),主张在室温下对大分子辐射敏感性进行专门研究。
SSX目前的一个弱点是收集完整数据集所需的时间。在Stellato的研究中等。(2014)由于总体成功率相对较低,生成一个包含40000个可用帧的数据集需要17h。尽管我们的整体成功率较高,但由于我们的Frelon CCD探测器的读出时间相对较慢,由46000个可用帧组成的纳米数据集需要19小时才能生成。ESRF的ID13波束线现在配备了一个新的Dectris 4M Eiger探测器,这将大幅提高数据采集率(1.3 ms采样率,6µs读出时间)。此外,ESRF升级的第二阶段涉及存储环的实质性升级,将导致约50英寸的增长才华横溢。基于此和其他改进通量这将大大减少收集高分辨率数据所需的最短曝光时间。
致谢
ANR、CEA、CNRS和UJF提供的财政支持得到认可。NC得到了法国阿尔茨海默病基金会的资助。我们感谢M.Weik、T.A.White、R.G.Sierra、C.Riekel、J.Rodriguez、E.Girard、D.Cascio、M.R.Sawaya和D.S.Eisenberg的有益和激励性讨论,以及持续的支持。我们感谢L.Lardieère和L.Peyrin对我们的样品制备程序进行三维渲染,如图1所示((f)).
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| 结构 生物学 |
国际标准编号:2059-7983
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