你有游戏机吗?你可以解决蛋白质的结构问题

Sjors Scheres是英国剑桥医学研究委员会(MRC)分子生物学实验室(LMB)的小组负责人。他的团队开发了算法，以帮助解决使用冷冻电子显微镜(Cryo-EM)成像的蛋白质的3D结构。Sjors和他的团队的算法是免费提供的，他们为Cryo-EM结构生物学的“分辨率革命”做出了贡献，使以前无法解决的结构得以解决。Sjors和他的团队在结构生物学和基于结构的药物开发方面的影响并没有被忽视，Sjors被《自然》杂志评为2014年十大最重要的科学家之一。

我在最近的MRC博士后研讨会上采访了Sjors，以了解更多关于他的团队的工作。

Sjors首先向我们介绍了Cryo-EM，以及它是如何用于推断蛋白质的3D结构的。在接下来的片段中，Sjors描述了可以用来探索蛋白质3D结构的技术，以及Cryo-EM与这些技术的不同之处。

片段1:

在Cryo-EM中，你所纯化的蛋白质是在缓冲溶液中，你可以快速冷冻在液态乙烷中(图1)。然后用透射电子显微镜发射电子，穿过这层薄层，对悬浮在空间中不同方向的蛋白质分子进行成像。你得到的是一个大图像，看起来像一个未经调谐的电视屏幕。然而，如果你仔细观察，你会发现这些微小的黑白噪声点是你感兴趣的蛋白质在随机方向上拍摄的。然后根据形状的相似性对2D图像进行排序。然后对得到的组进行平均以去除噪声，然后使用Sjors团队设计的软件组装在一起，以重建蛋白质的3D结构。

Sjors将这比作大脑从视网膜上的2D图像生成世界的3D图像。

纯化的蛋白质在缓冲液中冷冻。透射电子通过样品发射到探测器上。然后根据蛋白质分子的形状相似性对二维检测图像进行聚类，并使用统计算法在3D中重建蛋白质。(图片来源:美国哈佛大学纳米系统中心网站)。

我想了解Cryo-EM技术与x射线晶体学在蛋白质结构上的不同。在下一个片段中，Sjors解释了与x射线晶体学相比，使用Cryo-EM来解决蛋白质结构的好处。

片段2:

接下来，我请Sjors解释为什么近年来冷冻电镜领域出现了爆炸式增长。Sjors描述了近年来推动该领域发展的技术进步，并解释了他的团队对Cryo-EM的贡献“决议革命”．

片段三:

随着数字电子传感器分辨率的提高和自动化程度的提高，每次实验都会产生tb级的数据。计算能力是分析这些数据集的一个问题。为了弄清楚这项技术的局限性，我向Sjors询问了Cryo-EM的计算局限性，他告诉我们他们在图像重建中克服数据处理的一种巧妙方法。

片段四:

Sjors最后给出了他和他的团队最近解决的一些结构的例子。其中一种结构是-分泌酶，它是一种膜内复合物，可切割膜内的蛋白质，如缺口受体(与癌症有关)和淀粉样前体蛋白。γ -分泌酶对淀粉样前体蛋白进行最后切割，产生淀粉样β，其聚集形成阿尔茨海默病的特征淀粉样斑块。

第五段:

-分泌酶的结构。左边显示为卡通代表，右边显示为表面视图。还可以看到以棒状形式显示的11个n链聚糖。取自Bai等人。2015年自然。

正如Sjors在最后一段中提到的，《细胞》、《科学》或《自然》杂志经常刊登关于蛋白质结构的论文，这些论文已经通过Cryo-EM解决了。这强调了该技术在描述蛋白质结构方面的力量。破解蛋白质结构的巨大飞跃要归功于“分辨率革命”，其中包括改进的电子传感器和更好的重建算法，但电脑游戏技术的进步也使它成为可能。

引用:

Bai, X.， Rajendra, E.， Yang, G.， Shi, Y.和Scheres, S.H.(2015)“人γ-分泌酶催化亚基的构象空间采样”，eLife, 4。doi: 10.7554 / elife.11182。

白晓霞，闫超，杨国强，陆平，马东，孙良，周瑞，Scheres, s.h.w, Shi yy(2015)，“人γ-分泌酶的原子结构”，自然杂志，525(7568)，第212-217页。doi: 10.1038 / nature14892。

Kimanius, D.， Forsberg, b.o.， Scheres, S.H.和Lindahl, E.(2016)“在RELION-2中使用gpu并行加速冷冻- em结构测定”，eLife, 5。doi: 10.7554 / elife.18722。

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更多关于Scheres集团和他们的开源软件的信息可以在http://www2.mrc-lmb.cam.ac.uk/groups/scheres/