科学家开发原位蛋白结构解析新技术，数据采集通量比传统方法高30-40倍

来源：DeepTech深科技

该论文的通讯作者是中科院生物物理研究所章新政研究员和北京理工大学医学技术学院万晓华副教授，第一作者是程静（章新政组博士后）和刘童（张法和万晓华组研究生）。

章新政说：“传统的电子断层重构技术，需要旋转样品台，过程非常麻烦。原本只需要拍一张照片，由于旋转样品台的介入，需要在不同的角度采集照片。最后可能一共需要采集 60 张照片，单颗粒方法一天采集的数据量断层方法需要 30-40 天，数据采集的效率很低。”而这项研究摈弃了电子断层重构，可以直接在单张照片中定位蛋白质，然后在此基础上进行重构，这样只需要 1 天就能完成工作。

简单来说，低温电子断层扫描是用于原位研究蛋白质复合物结构的一个主要工具。然而，倾转系列图像数据收集的通量仍然相当低。课题组出成员设计了 isSPA，并在这项工作中与北理工的张法和万晓华合作，进行了 GPU 加速优化，可以在细胞切片中定位目标蛋白复合物，并在近原子分辨率下重建蛋白复合物。

由于不需要采集倾转系列图像和断层重构，GisSPA 可以实现高通量的数据收集，这对于低丰度的蛋白质复合物至关重要。

该研究分别解析了细胞层中的红藻的藻胆体和光系统 II 复合体结构，分辨率分别达到了 3.4 埃和 3.9 埃。研究表明，他们所发展的 GisSPA 技术有助于直接在细胞内进行高分辨率蛋白质结构测定。

研究者们得到了一个 3.9 埃分辨率的光系统 II（photosystem II, PSII）复合物的重建。此前，有研究人员报告了在二维投影匹配中发生的模型偏差效应，肺炎双球菌细胞中的核糖体的分辨率偏高。而运用 GisSPA 程序进行解析，可以得到更加准确、合理的结果，且通过对比发现 GisSPA 解析的 70S 整体结构是无模型偏差的。

该研究进一步提到，假阳性探测颗粒会在探测函数所使用的频率范围内产生模型偏差效应，这个效应会降低重构的分辨率，因此去除假阳性探测对于高分辨率的结构测定是必要的。由于在高于 1/8Å-1 的频率上信噪比相对较低，而且排序方法需要不包括在粒子定位中的信号。因此，频率高于 1/8Å-1 的信号一般不建议用于二维投影匹配计算。

GisSPA 的探测效率主要受到目标蛋白在分子量和样品厚度的影响。因此，要拓宽 GisSPA 的应用范围，还需要优化细胞切片样品制备方法。

GisSPA 在原位结构体系非常有效，且分子量越大，效果更好。对于未来的研究计划，章新政表示，一方面，希望能够实现更小分子量分子的原位结构解析；另一方面，将通过提高细胞切片的质量使数据采集的效果更好。

参考资料：

1.Cheng, J., Liu, T., You, X. et al. Determining protein structures in cellular lamella at pseudo-atomic resolution by GisSPA. Nature Communications 14, 1282 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-36175-y.

运营/排版：何晨龙