冷冻电子显微学在结构生物学研究中的现状与展望.pdf

中国科学: 生命科学 2014 年 第44 卷 第10 期: 1020 ~ 1028 SCIENTIA SINICA Vitae SCIENCE CHINA PRESS 评 述 中国知名大学及研究院所专栏 清华大学专辑 冷冻电子显微学在结构生物学研究中的现状 与展望 王宏伟 清华大学生命科学学院, 北京 100084 E-mail: hongweiwang@ 收稿日期: 2014-09-02; 接受日期: 2014-09-19 国家重点基础研究发展计划(批准号: 2010CB912401)资助项目 doi: 10.1360/052014-140 摘要 冷冻电子显微学近年来在电子显微镜的硬件设备及结构解析的软件算法等方面取 关键词 得了多个重要的技术突破, 正在成为结构生物学研究的重要技术手段, 为越来越多的生物 冷冻电子显微学 结构生物学 学研究者所重视. 冷冻电子显微学的技术特点决定了它所具备的一些独特优势和发展方向, 细胞生物学 同时作为一个正在迅速发展的科学技术领域, 需要多学科的交叉促进. 本文主要介绍冷冻 电子显微学的研究现状及面临的技术挑战, 并提出未来可能实现结构生物学与细胞生物学 不同尺度的研究在冷冻电子显微学技术上融合的新方法. 结构生物学是 20 世纪后半叶, 尤其是在 80~90 子分辨率结构的两篇文章, 在结构生物学领域造成 年代蓬勃发展起来的重要学科. 通过对生物大分子 了巨大的反响. 美国加州大学旧金山分校的程亦凡研 (蛋白质、核酸及其复合体) 的三维空间结构的测定, 究组与Julius 研究组合作, 利用冷冻电子显微学技术 结构生物学可以在微观尺度上精确地描述复杂生物 首次获得了300 kD 膜蛋白TRPV1 的3.4 Å 分辨率的 大分子的形状, 原子与分子组合方式, 及其表面带 三维结构, 并建立了该分子的原子模型[1,2]. 其实在 电、亲疏水等物理性质, 从而为生物大分子发挥生物 过去的几年间, 已经有若干工作报道了利用冷冻电 学功能的机理提供关键的解释. 进入 21 世纪以来, 子显微学解析病毒、蛋白酶体复合物、核糖体等近原 结构生物学研究的技术手段日益成熟, 在现代生物 子分辨率模型[3~6]. 这些工作的里程碑式意义在于: 学研究的各个分支领域中均发挥着重要的作用. 至 高分辨率结构解析过程不需要生长三维晶体, 样品 今为止, 国际蛋白质结构数据库中的结构数据已经 用量非常少, 而且可以在短时间内同时获得多个复 超过 100000(图1A), 其中绝大部分结构由X 射线晶 合体状态的三维结构. 短短一年里, 冷冻电子显微学 体学及核磁共振波谱学解析而来. 技术作为直接解析生物大分子原子分辨率结构的技 近年来, 技术的进步使得结构生物学新的研究 术手段受到人们的广泛关注. 手段取得了长足的进展. 2013 年 12 月份发表在 事实上, 电子显微学是结构生物学研究中的老 Nature 上的利用冷冻电子显微学解析获得TRPV1 原 兵. 该技术自从 20 世纪 50~60 年代以来, 一直在研 引用格式: 王宏伟. 冷冻电子显微学在结构生物学研究中的现状与展望. 中国科学: 生命科学, 2014, 44: 1020–10