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蛋白質(zhì)三維重構(gòu)新算法提出 有助于提高蛋白質(zhì)冷凍電鏡投影圖像準確度
2022年04月20日 09:58:58
來源：化工儀器網(wǎng) 作者：楊 點擊量：4772
蘭州大學信息科學與工程學院教授路永鋼課題組與蘭州大學生命科學院副教授朱莉以及美國歐道明大學計算機科學系教授何靜合作，提出了一種基于球面嵌入的蛋白質(zhì)三維重構(gòu)算法，有助于從冷凍電鏡圖像中重構(gòu)出更加準確的蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)。
【化工儀器網(wǎng) 項目成果】蛋白質(zhì)(protein)是構(gòu)成細胞的基本有機物，是生命活動的主要承擔者。機體所有重要的組成部分都需要有蛋白質(zhì)的參與，可以說沒有蛋白質(zhì)就沒有生命。
所有蛋白質(zhì)都是由20種不同氨基酸連接形成的多聚體。要發(fā)揮生物學功能，蛋白質(zhì)需要正確折疊為一個特定構(gòu)型，主要是通過大量的非共價相互作用來實現(xiàn)。因此，想要了解蛋白質(zhì)的作用機制，常常需要測定蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析是分子生物學的核心課題，對于人們認識蛋白質(zhì)的功能，理解疾病的發(fā)病機理，進行藥物設計和疾病治療等都具有非常重要的意義。
目前測定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的主要實驗方式包括X射線晶體學、核磁共振譜學和電子顯微學等，近年來，冷凍電鏡技術在測定生物大分子結(jié)構(gòu)方面也取得了突破性的進展。DeepMind 公司開發(fā)的AlphaFold已經(jīng)可以從蛋白質(zhì)序列預測蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)，但其準確性還有待提升，其結(jié)果也只能作為預測結(jié)果使用。
蘭州大學信息科學與工程學院教授路永鋼課題組與蘭州大學生命科學院副教授朱莉以及美國歐道明大學計算機科學系教授何靜合作，提出了一種基于球面嵌入的蛋白質(zhì)三維重構(gòu)算法，有助于從冷凍電鏡圖像中重構(gòu)出更加準確的蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)。
在該論文的實驗工作中，課題組分別使用了模擬數(shù)據(jù)集和兩組真實數(shù)據(jù)集對算法進行了評價。通過與目前常見的幾種算法(Synchronization、LUD、EMAN 2.1和RELION-2)進行對比，驗證了所提算法的有效性。模擬數(shù)據(jù)由大腸桿菌70S核糖體對應的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)通過計算機模擬投影生成。真實數(shù)據(jù)使用了從EMPIAR數(shù)據(jù)庫下載的惡性瘧原蟲80S核糖體數(shù)據(jù)集(EMPIAR-10028)的冷凍電鏡圖像，以及Hedgehog受體補丁與納米抗體TI23復合物(EMPIAR-10328)的冷凍電鏡圖像。
實驗結(jié)果證明了該論文提出的球面嵌入算法可以更準確地估計投影方向，并且在噪聲比較高的情況下(例如SNR=0.1或0.2等)，該算法能大大降低投影角估計的誤差。三維重構(gòu)的結(jié)果也證明了利用該算法在不同噪聲水平及不同數(shù)量的投影圖像上進行重構(gòu)時都具有一定的優(yōu)越性，得到的重構(gòu)結(jié)果具有更高的分辨率，也更加接近于真實結(jié)構(gòu)。
相關論文《3D reconstruction from cryo-EM projection images using two spherical embeddings》于4月4日在線發(fā)表于《自然·通訊生物學》。
參考資料來源：中國科學報
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