动结构

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, 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. 　　近期来自清华大学生科院的王宏伟发文介绍了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年代蓬勃发展起来的重要学科. 通过对生物大分子(蛋白质、核酸及其复合体)的三维空间结构的测定, 结构生物学可以在微观尺度上精确地描述复杂生物大分子的形状, 原子与分子组合方式, 及其表面带电、亲疏水等物理性质, 从而为生物大分子发挥生物学功能的机理提供关键的解释. 进入 21 世纪以来, 结构生物学研究的技术手段日益成熟, 在现代生物学研究的各个分支领域中均发挥着重要的作用. 至今为止, 国际蛋白质结构数据库中的结构数据已经超过 100000, 其中绝大部分结构由 X 射线晶体学及核磁共振波谱学解析而来. 　　近年来, 技术的进步使得结构生物学新的研究手段取得了长足的进展. 2013 年 12 月份发表在Nature 上的利用冷冻电子显微学解析获得 TRPV1 原子分辨率结构的两篇文章, 在结构生物学领域造成了巨大的反响. 美国加州大学旧金山分校的程亦凡研究组与 Julius 研究组合作, 利用冷冻电子显微学技术首次获得了 300 kD膜蛋白 TRPV1的 3.4 Å 分辨率的三维结构, 并建立了该分子的原子模型. 　　其实在过去的几年间, 已经有若干工作报道了利用冷冻电子显微学解析病毒、蛋白酶体复合物、核糖体等近原子分辨率模型. 这些工作的里程碑式意义在于: 高分辨率结构解析过程不需要生长三维晶体, 样品用量非常少, 而且可以在短时间内同时获得多个复合体状态的三维结构. 短短一年里, 冷冻电子显微学技术作为直接解析生物大分子原子分辨率结构的技术手段受到人们的广泛关注. 　　事实上, 电子显微学是结构生物学研究中的老兵. 该技术自从 20 世纪 50~60 年代以来, 一直在研究细胞、 亚细胞及生物大分子结构的研究中扮演着独特的角色, 揭示了很多重要的细胞内精细结构. 在研究生物大分子的结构方面， 该技术采取与 X 射线晶体学及核磁共振波谱学迥然不同的原理, 在过去的几十年里逐渐建立了成熟的图像处理及分析算法, 成为结构研究的一种独特技术手段. 近 10 年来, 该领域的日臻成熟以及科研团队的扩大更快地催生了冷冻电子显微学成像技术与结构解析技术的革命性突破. 自从 2008 年以来, 冷冻电子显微学已经连续获得多种生物大分子复合体的原子分辨率结构, 而且高分辨率结构的解析速度正在呈现迅速上涨的趋势。 　　冷冻电子显微学从 20 世纪中叶开始, 经历了 80年代到 90 年代的技术方法建立时期, 21 世纪初的技术成熟期, 在过去的两年里发生了革命性的技术进步, 进入了快速发展期. 结构生物学和细胞生物学研究者如何抓住这个契机, 如何尽快适应新的局面, 掌握新的技术, 充分发挥该技术的优势从而更加更深入地研究生命现象, 将是未来几年里的一个主题. 数学、物理学、计算机科学、材料科学、化学等众多领域的研究者们必将在未来冷冻电子显微学的新技术新方法的开发中发挥重要的作用, 成为该技术的进一步完善与成熟的重要力量. 　　冷冻电子显微学领域研究者们则需要以主动开放的态度吸引其他领域研究者的合作, 并积极迎接来自更多领域研究者的挑战, 保持并发展自己的技术特长, 站在技术发展的制高点上选准研究方向, 始终在冷冻电子显微学的技术前沿上开疆拓土. 　　原文检索： 　　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&ndash 1028 　　Wang H W. Current status and future perspective of cryo-electron microscopy in structural biology. SCIENTIA SINICA Vitae, 2014, 44: 1020&ndash 1028 doi: 0.1360/052014-140

p style=" text-align: center " img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202002/uepic/a30b56e7-51e3-4fed-aa1a-7c72bf69ff0e.jpg" title=" 1.jpg" alt=" 1.jpg" style=" text-align: center max-width: 100% max-height: 100% " / /p p style=" text-align: center " span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 英国剑桥分子生物学实验室的冷冻电子显微镜图片 /span span style=" color: rgb(127, 127, 127) " 来源：剑桥MRC分子生物学实验室 /span /p p 　　一项革命性的蛋白质三维形状测定技术正在蓬勃发展。上周，一个收集由冷冻电子显微镜（cryo-EM）测定的蛋白质和其他分子结构的数据库，获得了第10000个数据条目。 /p p 　　据《自然》报道，近年来，各实验室向电子显微镜数据库（EMDB，由欧洲生物信息研究所建立，旨在满足学术界对于冷冻电镜数据的需求）提交的数据呈指数级增长，这主要因为全世界实验室cryo-EM数量的爆发式增长。尽管数据库也接收其他电子显微镜结构分析的数据，但其中绝大部分数据来自cryo-EM。 /p p 　　cryo-EM通过将蛋白质或其他生物分子急速冷冻，并用电子对其轰击，从而生成单个分子的显微图像。它们被用来重建分子的三维形状或结构。这有助于揭示蛋白质如何工作、它们在疾病中如何发挥作用，以及如何用药物靶向它们。 /p p 　　此前几十年，X射线晶体衍射一直是备受结构生物学家青睐的研究方法，该方法首先使蛋白质结晶，然后用X射线对其连续打击，并根据衍射光的信号模式重建它们的形状。 /p p 　　X射线晶体衍射法虽然能够生成高质量的分子结构，但并不是所有蛋白质都可轻易使用，因为有些蛋白质可能需要数月或数年才能结晶，而有些甚至根本无法结晶。 /p p 　　这便体现出cryo-EM的优越性，该方法无需蛋白质结晶，但这项技术也存在局限，比如它经常生成低分辨率结构。 /p p 　　2012到2013年，由于在硬件和软件方面的突破，催生了更灵敏的电子显微镜和可将拍摄到的图像转换成分辨率更高的分子结构的复杂软件。 /p p 　　该项技术专家、英国剑桥MRC分子生物学实验室（LMB）结构生物学家Sjors Scheres说，这为cryo-EM的迅猛发展铺平了道路。 /p p 　　LMB结构生物学家Richard Henderson因对cryo-EM技术发展的贡献获得了2017年诺贝尔化学奖。他说，即使在这项技术取得进步后，最初的增长也很缓慢，因为只有少数实验室配置了该设备。但当他们开始使用冷冻技术绘制分子的详细结构图像时，比如被称作蛋白质制造机器的核糖体，这项技术很快就引起了其他科学家及其所在机构和资助者的注意。 /p p 　　Henderson说：“所有投资于其他研究和做出错误决定的人，花了一年的时间才赶上来。” /p p 　　他预计，到2024年，利用冷冻电镜技术测定蛋白质结构的数量将超过X射线晶体衍射法。cryo-EM已经取代了X射线晶体衍射，成为科学家特别感兴趣的研究嵌入细胞膜的蛋白质的工具。许多膜蛋白与疾病有关，可为药物提供靶点。 /p p 　　此外，Henderson还认为cryo-EM的发展将在某个时期开始放缓。他说，影响其快速增长的一个因素是成本高，一台如此强大的显微镜其成本可能超过500万英镑（700万美元）。而它们每天的运行成本也高达数千英镑，并且需要专门的实验室来安置，以降低震动。 /p p 　　Henderson正在努力说服相关公司开发性能好且价格更便宜的cryo-EM，以进一步推广这项技术。（徐锐） /p p br/ /p

大多数人身上携带真菌白色念珠菌，没有它会引起很多问题。然而，这种真菌的全身感染是危险的并且难以治疗。很少有抗菌剂是有效的，而且它的耐药性正在增加。包括格罗宁根大学副教授 Albert Guskov 在内的一个国际科学家小组已经使用单粒子冷冻电镜来确定真菌核糖体的结构。他们的研究结果近日发表在《科学进展》上，揭示了新药的潜在目标。白色念珠菌通常不会引起任何问题，或者只是容易治疗的皮肤瘙痒感染。然而，在极少数情况下，它可能会导致可能致命的全身感染。现有的抗真菌药物会引起很多副作用并且价格昂贵。此外，白色念珠菌的耐药性越来越强，因此确实需要新的药物靶点。“我们注意到没有抗真菌药物针对蛋白质合成，而一半的抗菌药物会干扰这个系统，”Guskov说。造成这种情况的一个原因是真菌核糖体，即将遗传密码转化为蛋白质的细胞机器，在人类和真菌中非常相似。所以，你需要一种非常有选择性的药物来避免杀死我们自己的细胞。——Albert Guskov，格罗宁根大学副教授原子分辨率因此，Guskov 和他的合作者推断，获得白色念珠菌核糖体的结构对于寻找药物靶点很有价值。经典的方法是从纯化的核糖体中生长晶体，并使用 X 射线晶体学确定它们的结构；然而，这是一项费力的技术。相反，他们使用单粒子冷冻电镜，其中大量单粒子在电子显微镜中在非常低的温度下成像。从不同角度看到的单个粒子的图像随后被组合以产生原子分辨率的结构。突变' 通过这种方式，我们解决了空缺和抑制剂结合的真菌核糖体的结构，并将它们的功能与酵母和兔子的核糖体进行了比较——后者作为人类核糖体的模型——并重复了与不同核糖体结合的核糖体抑制剂，”Guskov 解释道。其中一种抑制剂是抗微生物放线菌酮 (CHX)，已知白色念珠菌对其具有抗药性。通过比较这些结构，科学家们注意到在蛋白质合成中起关键作用的 E 位点的单个突变阻止了 CHX 与白色念珠菌核糖体结合。 ' 突变将这个E位点结构中的一个氨基酸从脯氨酸改变为谷氨酰胺。这种替代减少了结合位点的大小，因此抑制剂不能附着，因此无效。另一种抑制剂叶花苷不会被突变阻断。威胁' 通过比较白色念珠菌和人类空缺核糖体中 E 位点的结构以及不同抑制剂与该位点结合方式的信息，我们可以开发出一种特异性抑制剂，它可以阻断真菌核糖体，但不能阻断人类的核糖体。这将成为治疗真菌感染的选择性药物。科学家们目前正在筛选分子库以寻找药物先导物。 “开发针对白色念珠菌的疫苗极具挑战性，就像我们针对冠状病毒所做的那样。因此，我们需要药物来治疗全身感染，”Guskov解释道。 “这种真菌日益增加的耐药性是一个真正的威胁。如果这种情况继续下去，除非开发出新药，否则我们可能会遇到严重的麻烦。Source:University of GroningenJournal reference:Zgadzay, Y., et al. (2022) E-site drug specificity of the human pathogen Candida albicans ribosome. Science Advances. doi.org/10.1126/sciadv.abn1062.

近日，欧盟资助项目ALMA（电动汽车轻质材料及先进工艺的生态化设计）举行线上启动会，包括德国Fraunhofer ITMW研究所在内的九名项目成员参会。该项目为期三年，目标是研发一款成本可控、重量较现行基准下降45%的纯电动乘用汽车车体结构，而其中的关键环节是利用高强钢、SMC等多种材料打造一款模块化的汽车平台。根据欧盟计划，2030年之前，区域道路内零排放汽车的数量将提升至3千万辆以上。汽车的电动化和轻量化是实现该目标的重要路径。Fraunhofer ITMW是德国弗劳恩霍夫协会下属的技术数学与经济数学研究所，在复合材料零部件制造的多尺度模拟设计领域拥有丰富的经验。“我们能提供订制化的模拟工具，用于优化汽车轻量化结构的设计，通过模拟SMC成型工艺控制纤维密度和取向，通过多尺度模拟的方式计算微观结构的机械性能及热性能，预判其强度及耐损伤性能。”Fraunhofer ITMW研究所流体及材料模拟部长Dr. Konrad Steiner表示。

图中展示的就是构成酵母线粒体大核糖体亚单位(yeast mitochondrial large ribosomal subunit)的各个组成蛋白质。Amunts等人根据利用低温冷冻电镜技术获得的酵母线粒体大核糖体亚单位及完整核糖体的结构图谱，一个个地合成出了上述这些组分蛋白。这个经过不断完善的结果与根据X线晶体成像技术获得的原子模型非常吻合。 　　先进的低温冷冻电镜(cryo&ndash electron microscopy)技术让我们获得了大量高分辨率的蛋白质结构图。 　　结构生物学(structural biology)研究的主要目的就是获得用于构成活体细胞的各种各样大分子(macro-molecules)生物组件的高分辨率图像信息。该研究主要依赖的技术手段就是X线晶体照相术(x-ray crystallography)以及核磁共振光谱分析检测技术(nuclear magnetic resonance spectroscopy, NMR spectroscopy)。不过这两种技术都有各自的局限性，比如X线晶体照相术只能够对生长得极为有序的三维结晶进行观察，而核磁共振光谱分析检测技术则要求被检测样品的纯度非常高，不能够有重叠峰出现。有很多生物大分子相互结合、组装之后形成的都是非常大的，或者非常不稳定、比较罕见的结构，都不太适合用上述这两种技术进行分析和检测。单粒子电子显微镜技术(Single-particle electron microscopy, EM)则能够观察少量非结晶样品，获得高分辨率的结构图谱。 　　使用单粒子电子显微镜技术可以获得任意排列方向的分子复合体( molecular complexes)的结构图像。该技术会从每一幅图像中选出单个的复合体(粒子)，然后借助计算机来判断它们的排列方向。最后将各个不同视角的图像组合在一起，得到该分子的三维立体图像。不过由于高能电子束会对生物大分子起到破坏作用，打断分子内的共价键(covalent bonds)，并且诱发一系列级联式的有害化学反应，所以这种放射性损伤效应给单粒子电子显微镜技术带来了极大的局限性，在实验时用来记录影像的电子束的能量受到了非常大的约束。 　　20世纪80年代，Dubochet等人报道了一种单粒子电子显微镜技术革新成果，将该技术引向了高分辨率成像之路。他们在低温条件(cryogenic conditions)下将待检样品放在一层薄薄的、透明的冰上用单粒子电子显微镜进行成像观察。这种方法就是所谓的&ldquo 低温冷冻电镜技术(cryo&ndash electron microscopy, cryo-EM)&rdquo ，他能够对含水的粒子(hydrated particles)进行直接成像。低温除了具有这些优势之外，还能够减少电子束对样品产生的放射性损害。不过电子束的照射量还是不能够太大，只有这样才能够清晰地反映出分子结构的细节，获得高质量的、低信噪比(signal-to-noise ratio, SNR)的三维结构图像。由于将每个分子的多张图像信息组合在一起能够更进一步地降低图像的信噪比，所以，对数万、乃至数百万个蛋白质复合体进行分析就会产生数十万张图像。 　　不过依靠低温冷冻电镜图像来判断生物大分子的结构给计算机处理分析工作带来了一大挑战。在借助多图像组合平均手段来改善信噪比时，必须知道每一颗粒子的方向，但是由于信噪比太低，我们对这些粒子方向的判断又明显感觉准确性不够，这就形成了一个矛盾。要解决这个问题，最成功的方法就是&ldquo 重复(iterative)&rdquo ，质量高的图像能够给出更准确的方向信息，而这些方向信息又可以帮助我们获得更高质量的图像。 　　直到最近这一段时间，绝大部分单粒子低温冷冻电镜图片的分辨率都非常低，连10埃都达不到，所以很多人都将这种技术嘲笑为 &ldquo 一团浆糊学(blob-ology)&rdquo 。蛋白质二级结构中的&alpha 螺旋(&alpha helices)结构只有在分辨率达到9~10埃，甚至更高分辨率的情况下才能够看清 而另外一种二级结构，&beta 折叠(&beta strands)结构则只有在分辨率达到4.8埃以上时才能够看清。达到3.5埃的分辨率，就可以为蛋白质或核酸等生物大分子构建原子模型(atomic models)，将各种目前已知的核酸结构或氨基酸结构填入其中了。如果要了解蛋白质复合体形成时发生的各种化学变化，就必须获得原子级别分辨率的细节信息。低分辨率的结构信息也不是一无是处，当在与高分辨率结晶图像相互配合、印证，用来判断组成复合体的各种不同组分时更加有意义。因此，即便分辨率较低，低温冷冻电镜技术也还是帮助科学家们解决了很多生物学难题，比如解析出了与其他辅因子共同结合的核糖体的结构问题，以及构象只能够维持片刻时间的核糖体瞬时结构等问题。 　　在过去的三十年，低温冷冻电镜设备取得了长足的进展，在样品制备、成像、计算机处理等实验技术方面有了一定的提升，这些使低温冷冻电镜成像技术的分辨率有了极大的提高。高度连贯的场发射电子枪(Highly coherent feld-emission electron guns)也使保留焦点以外的图像的高分辨率信息成为可能，这对于单粒子低温冷冻电镜非常有帮助。这种技术创新帮助科研人员获得了20面体病毒粒子(icosahedral virus particles)的图像，而且清楚地看到了其中的&alpha 螺旋结构。由于这种病毒是高度对称的，所以比较容易生成高质量的、最佳分辨率的低温冷冻电镜图像。 　　随着研究人员不断地开发出更稳定的载物台、更好的显微镜抽真空技术，以及自动化的数据采集系统，这一切的技术进步都让我们能够获得更多、质量更好的电镜图像，因此才能够得到高质量的、能够对其中的氨基酸侧链进行解析的二十面体病毒粒子三维结构图像，以及分辨率达到5埃的核糖体结构图像。不过在对更小一点的非对称粒子的解析工作中还是很难解析到&alpha 螺旋结构。 　　最近在低温冷冻电镜设备领域取得的最大进展就是引入了直接检测设备(direct detector device, DDD)照相机。这种DDD设备能够直接在传感器上记录图像，从而绕过了传统的、需要闪烁设备和光纤的电荷耦合装置(charge-coupled device, CCD)探测器，以及其他一些在用摄影胶片(photographic film)记录图像时必须要经过的繁杂的处理过程。因此，图像的信噪比也得到了极大的提升。在分辨率方面的提升也与之前的一些革新手段相当。在使用了DDD设备之后，还有可能在电镜图像中直接构建原子模型，甚至能够在最具挑战性的检测工作中进行&alpha 螺旋和&beta 折叠的解析工作。 　　DDD设备的引入还在另外一个方面对低温冷冻电镜的图像起到了改善作用，凭借的就是该设备极快的读出速度(readout rate)，该读出速度能够发现被冰包裹的被观测粒子在电子束中的运动情况。使用DDD设备不仅能够发现这种问题，还能够解决这种问题，因为现在的电镜就好像是一台摄像机，可以拍摄一段录影，记录整个过程，而不再像以前那样，只是一台照相机，只能够拍摄出一张张固定的图像。 　　有了高质量的图像，又有可以借助计算机对因为电子束而移位的粒子进行矫正的工具，我们就可以获得大量高质量的低温冷冻电镜图像，比如本文开头展示的那张分辨率高达3.2埃的线粒体核糖体亚单位图像，以及下图那张分辨率达到3.3埃的20S蛋白酶体图像和哺乳动物感受器通道TRPV1的图像。 TRPV1的图像尤其值得一提，因为TRPV1蛋白是一种膜蛋白，只有四级对称性(four-fold symmetry)，比核糖体要小一个数量级。所以之前大家一直都认为很难用低温冷冻电镜对该蛋白进行结构解析的研究工作。有了 DDD成像技术、更好的计算机辅助和生物化学技术之后，Liao等人终于在某些区域获得了分辨率高达3.4埃的图像，从而有机会开展原子建模工作，在整个结构生物学(structural biology)发展历史上写下了重重的一笔。 　　单粒子低温冷冻电镜结构解析图。左图展示的是随机排列的蛋白质粒子在电镜下的图像，这些图像经过计算机处理之后可以用来计算大分子复合物的三维立体结构图像。由于有了DDD技术，左边的这些图像信息就可以构建出右图中展示的原子模型。图中展示的就是20S蛋白酶体的结构图。 　　乍一看上去，这些成果都好像是特例。比如核糖体里由于含有大量的RNA，所以是一幅高度紧缩的图像，非常紧密，不太容易受到辐射的损失。而20S蛋白酶体拥有14级对称性，所以也非常适于进行低温冷冻电镜成像操作。即便是TRPV1通道蛋白也都拥有一定的内部对称性。但是最近刚刚成功获得的一幅电镜图像就完全不具备上述这些&ldquo 先天优势&rdquo ，这就是分辨率达到4.5埃的人&gamma 分泌酶复合物(&gamma -secretase)的结构图。人&gamma 分泌酶复合物是一种更小的膜蛋白复合体，完全没有对称性。该成果说明，只要待测样品能够准备得恰当，尽可能减少其在结构上的异质性，我们就完全有可能利用低温冷冻电镜技术获得各种蛋白质的三维立体结构图。 　　这些科研新进展恰好出现在低温冷冻电镜技术的低谷期。最近刚刚获得的HIV-1病毒糖蛋白三聚体结构模型就引起了极大的争议，因为多位电镜专家都坚持认为，这个结构模型不仅在结构上不准确，就连用来进行分析的原始图像也都没有真实地反映该三聚体的真实信息。这场争论也让我们意识到，我们目前的确没有太多的手段对低温冷冻电镜图像的质量进行验证，虽然有一些手段，但是都没有得到广泛的推广和应用，另外也缺乏一套规范，图像的信号非常差，所以也很难判断最终得出的结构图是否就是被测样品的结构。这是一个非常值得关注的问题，不仅仅是因为这次的HIV-1病毒糖蛋白三聚体结构模型具有重大的科研价值，比如在HIV疫苗的开发工作中会起到非常重要的指导作用等。 　　在结构解析方面还有大量的工作需要我们去完善：方便使用的显微镜相板(phase plates)有助于更好地聚焦，获得高对比度的图像，就好像相衬光学显微镜(phasecontrast light microscopy)那样，这能够让对图像进行信息采集的工作更加简便，而且质量更高。另外在探测器方面也可以进一步提高图像的质量。即便是最先进的探测器也达不到符合理论要求的表现。各种用来进行图像分析的计算机软件，比如用来矫正电子束相关移位的软件，或者对各种粒子进行分类、解读的软件也将会变得越来越强大。新型的样品承载系统会进一步减少电子束对样品的位移作用。更加可靠的、更加强大的验证工具可以让我们更有信心，保证不会纳入质量不高的原始图片素材。虽然现在还不知道低温冷冻电镜技术未来会走向何方，但是有一点是可以肯定的，那就是低温冷冻电镜图像绝对不再是一团浆糊了。 　　原文检索： 　　Martin T. J. Smith, John L. Rubinstein. Beyond blob-ology. Science 8 August 2014 DOI: 10.1126/science.1256358

冷冻电镜（cryo-EM）解析了一种帮助调节血压的蛋白质，即血管紧张素转换酶（ACE）的详细结构。这些结构提供了迄今为止对ACE的最全面的看法，将有助于改善心脏病的药物设计。这项工作是由开普敦大学（UCT）的研究人员与英国同步辐射光源"DIAMOND"的电子生物成像中心（eBIC）合作完成的。研究人员在《EMBO Journal》上发表了他们的研究结果（"冷冻电镜揭示了血管紧张素I转化酶的异构化和二聚化机制"）。ACE会产生激素血管紧张素II，使血管收缩并提高血压。高血压是心脏病和中风的主要风险因素。与以前的方法相比，冷冻电镜使研究人员能够在更多的功能相关状态下观察到ACE。他们的工作为其生物功能和潜在的药物结合特性提供了关键性的见解。ACE蛋白的一个副本（即单体形式）是由两个结构相似但功能不同的结构域连接而成的。二聚体化（即两个ACE单体的相互作用）发生在一个小的表面空腔附近，改变了对ACE功能至关重要的核心氨基酸的构象。研究人员提出，这种二聚体化可能像一个 "关闭开关"，触发蛋白质核心的变化，并可能抑制它。如果能设计出一种类似药物的分子在腔内结合并引起同样的效果，它就能提供一种新的手段来使该酶失活。目前，许多ACE抑制剂在临床上可用于治疗高血压。但这些抑制剂非选择性地针对两个ACE结构域，并因此会在一些患者中引发副作用。开普敦大学教授、该研究的主要研究者Edward Sturrock博士解释说:“了解这些新发现的ACE结构和动态至关重要，这可能针对结构域选择性抑制剂的设计提供新的结合位点，进而规避副作用。”ACE蛋白在Sturrock的实验室生产，在UCT的电子显微镜单元（EMU）进行成像前的准备，并在之后转运到eBIC，在Titan Krios上进行冷冻电镜成像。图像处理在南非的CSIR高性能计算中心（CHPC）和EMU进行。“即使有高分辨率的成像，ACE的独特形状、小分子量和高度动态等特征也带来了许多挑战。"该研究的共同作者之一Jeremy Woodward博士解释道。该研究的第一作者Lizelle Lubbe博士解释说："最近开发的冷冻电镜图像处理方法对解析这些结构至关重要。"我们必须通过广泛的分类来计算分离图像，这一过程相当于' 数字纯化' ，因为生化方法无法分离ACE的单体和二聚体形式。然后，我们可以将三维细化的重点依次放在结构的不同部分，从而解析这两种ACE结构"。该研究的发现独特地揭示了ACE的高度动态特征，以及其不同结构域之间发生二聚体化和交流的机制--这可能启发治疗心脏病的新药。DIAMOND科学组组长克里斯-尼克林博士说：“我们对非洲的杰出科学家团队利用eBIC先进的冷冻电镜取得的这项研究结果感到高兴。世界迫切需要针对致命的心脏病和其他慢性健康状况的可持续解决方案。我们非常高兴的是，这项研究的结构见解可以为改进抗高血压药物设计铺平道路。”相关文献：Cryo-EM Structures of a Key Hypertension Protein to Aid Drug DesignCryo-EM揭示了血管紧张素I转化酶的异构化和二聚化的机制高血压（高血压）是心血管疾病的一个主要风险因素，而心血管疾病是全世界死亡的主要原因。血管紧张素I转化酶（sACE）的体细胞异构体在血压调节中起着关键作用，因此ACE抑制剂被广泛用于治疗高血压和心血管疾病。我们目前对sACE结构、动力学、功能和抑制作用的理解是有限的，因为截短的、最小的糖基化形式的sACE通常被用于X射线晶体学和分子动力学模拟。在这里，我们首次报告了全长的、糖基化的、可溶性的sACE（sACES1211）的冷冻电镜结构。这个高度灵活的apo酶的单体和二聚体形式都是由一个数据集重建的。单体sACES1211的N端和C端结构分别在3.7和4.1Å被解析，而负责二聚体形成的相互作用的N端结构则在3.8Å被解析。此外，观察到两个结构域都处于开放构象，这对设计sACE调节剂有意义。参考资料："Cryo-EM reveals mechanisms of angiotensin I-converting enzyme allostery and dimerization"

p 　　11月25日，由上海市科学技术协会主办的“冷冻电镜理论与技术在结构生物学中应用”研讨会在蛋白质中心顺利举行。本次会议由上海市生物物理学会和蛋白质中心共同协办，会议邀请了国内冷冻电镜知名专家学者、电镜工作者和学生近60余人参会。 /p p 　　同济大学祝建教授主持会议，他代表大会主办方热烈欢迎各位专家以及与会人员的到来，希望大会能够在理论与技术上给国内科研工作者提供帮助。 /p p 　　蛋白质中心丛尧研究员回顾了蛋白质中心电镜系统创立的过程。她谈到，作为国家蛋白质科学研究(上海)设施的核心技术力量，电镜系统旨在满足国内外科研用户在蛋白大分子复合物方面的结构解析需求。随后，她还介绍了课题组最新研究成果，在最新的蛋白结构解析工作中分辨率成功突破了3埃，达到世界先进水平。随后，围绕“冷冻电镜单颗粒重构技术以及电子断层三维重构技术在结构生物学中的应用”这一主题，中山大学张勤奋教授、第二军医大学杨勇骥教授、浙江大学洪健教授、浙江大学博士研究生王春艳和蛋白质中心博士研究生曹龙兴依次登台作了精彩的学术报告。” /p p 　　后基因组时代，蛋白组学研究是生命科学研究焦点，蛋白质的空间结构往往决定其功能，因此揭示蛋白质的空间结构是一项非常有意义的工作。近些年，冷冻电镜技术的快速发展，为蛋白结构解析提供了一个强有力的手段，大大推动了结构生物学的发展。本次会议的成功举办有效促进了冷冻电镜技术在中国的推广，将进一步发挥蛋白质中心冷冻电镜设施的示范窗口作用。 /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201512/noimg/4ea9bc7b-37d8-4b5a-8d53-b21d6419f9d0.jpg" title=" 图.jpg" / /p

4月27日，科学技术部发布国家重点研发计划“先进结构与复合材料”重点专项2022年度项目申报指南。指南中明确：2022年度定向指南部署围绕轻质高强金属及其复合材料的技术方向，拟启动1项指南任务，拟安排国拨经费不超过2000万元。项目统一按指南二级标题（1.1）的研究方向申报，实施周期不超过3年。申报项目的研究内容必须涵盖二级标题下指南所列的全部研究内容和考核指标。项目下设课题数不超过5个，项目参与单位总数不超过10家。项目设1名项目负责人，项目中每个课题设1名课题负责人。1. 轻质高强金属及其复合材料1.1 青海盐湖新型镁基材料及前端制造技术（共性关键技术类）研究内容：针对青海盐湖镁资源现状和氯化镁特点，研究无水氯化镁颗粒熔融与净化一体化装备和能耗控制系统，开发青海盐湖金属镁低能耗电解制备技术；研究电解金属镁熔液合金化原理及工艺，开发冶金短流程合金制造技术；研究盐湖金属镁深度除杂原理及工艺，发展盐湖金属镁低成本纯净化工艺技术，为镁合金结构材料更大规模应用创造条件；发展结合盐湖成分特点和当地产业特点的新型盐湖镁基结构材料，开发具有大规模应用前景的车用镁合金复杂零部件，实现在汽车上的示范应用；研究氧化镁、氢化镁等镁化合物产品，发展新型盐湖镁基耐火材料，实现盐湖镁基耐火材料在冶金领域的示范应用。考核指标：金属镁电解直流电耗12000千瓦时/吨，电流强度大于460千安，电流效率≥92%，实现3种及以上中间合金稳定生产，合金元素含量≥10wt.%，电解金属镁及中间合金产能≥5万吨/年；短流程冶金过程全流程电耗降低值≥850千瓦时/吨，镁合金锭坯、金属镁损耗≤3%，镁合金锭坯不良率≤0.5%，形成年产1万吨高品质镁合金锭坯示范生产线；电解金属纯镁深度纯净化后铁含量≤50ppm、镍含量≤5ppm，生产能力大于1万吨； 发展3种及以上盐湖镁合金结构材料，成本、力学与耐蚀性能和现有AM50（皮江法）相当，并在3种及以上车用复杂或重要构件上示范应用；高纯氧化镁、氢化镁产品的主含量大于99.5wt.%，综合性能与皮江法镁相当；与现有盐湖产品相比，高端镁质耐火材料寿命提高20%，应用新产品钢液中夹杂物量降低15%以上，年生产能力≥1万吨，实现工程示范应用。有关说明：定向择优。由教育部、中科院、青海省科技厅组织推荐，拟支持1项。申报项目中应不少于1个课题由青海省有关单位作为课题牵头单位。

5月13日，科学技术部发布国家重点研发计划“先进结构与复合材料”重点专项2021年度项目申报指南。指南中明确：2021年度指南部署坚持问题导向、分步实施、重点突出的原则，围绕高性能高分子材料及其复合材料、高温与特种金属结构材料、轻质高强金属及其复合材料、先进结构陶瓷与陶瓷基复合材料、先进工程结构材料、结构材料制备加工与评价新技术、基于材料基因工程的结构与复合材料7个技术方向。按照“基础前沿技术、共性关键技术、示范应用”三个层面，拟启动37个项目，拟安排国拨经费6.32亿元。其中，拟部署9个青年科学家项目，拟安排国拨经费3600万元，每个项目400万元。1. 高性能高分子材料及其复合材料1.1 高性能全芳香族纤维系列化与规模化制备关键技术（共性关键技术）研究内容：针对航空航天、武器装备等亟需的高强高韧结构材料应用需求，开展高性能全芳香族纤维制备关键技术及其应用研究。揭示大分子刚性链结构、纤维纺丝成型、凝聚态及其性能之间的内在规律，攻克全芳香族纤维制备共性科学问题；研究高强/高模芳纶纤维成型和热处理工艺，突破制备关键制备技术及成套装备；研究高伸长耐高温芳纶III纤维、芳纶纸及其蜂窝应用技术；探讨高性能液晶纺丝聚芳酯聚合物结构设计、固态缩聚反应动力学和纤维冷却成型机理，攻克聚芳酯纤维制备关键技术。1.2 面向高端应用的阻燃高分子材料关键技术开发（共性关键技术）研究内容：面向5G通讯和轨道交通等高端制造业的需求，形成一批具有国际领先水平和自主知识产权的合成树脂材料及应用技术。重点开发PCB的无卤高阻燃、高Tg、低介电性能的环氧树脂；高阻燃耐老化热塑性弹性体TPE和聚脲弹性体无卤阻燃技术及应用；研发本征阻燃高温炭化不熔滴聚酯和低热释放本征阻燃聚碳酸酯合成技术；本征阻燃尼龙66工程化制备及其应用，完成万吨级规模化生产与应用示范。1.3 低成本生物基工程塑料的制备与产业化（共性关键技术）研究内容：面向生物基高分子材料成本高和高性能工程塑料牌号少的问题，集中开发低成本生物基呋喃二甲酸（FDCA）、异山梨糖醇的制备技术；开发1，4-环己烷二甲醇（CHDM）和2,2,4,4-四甲基环丁二醇（CBDO）的国产化制备技术，基于生物基单体和新型单体开发PEF、PCF、PIF和PETG等生物基聚酯以及PIC、PCIC等生物基聚碳酸酯，从单体、聚合物到后端应用全链条研究。精细调控产品结构，研究产品的耐温性能、力学性能、阻隔性能等，开发不低于8种高性能聚酯和聚碳酸酯产品，并在包装领域得到应用。2. 高温与特种金属结构材料2.1 高温合金纯净化与难变形薄壁异形锻件制备技术（共性关键技术）研究内容：针对国产高温合金冶金质量差、材料综合利用率低、力学性能波动大等问题，研究镍基高温合金纯净熔炼、返回料处理和再利用技术，返回料与全新料混合重熔工艺；开发难变形高温合金成分优化及纯净熔炼、铸锭均匀化热处理、合金铸锭均质开坯、棒料细晶锻制、大型薄壁异形环形件整体制备等工艺技术，建立合金工艺与成分、组织和性能的影响关系，实现高温合金棒材和锻件组织均匀性和性能一致性的优化控制，完成合金制备工艺、材料与构件质量评估及在先进能源动力装备的考核验证。2.2 高品质TiAl合金粉末制备及3D打印关键技术（共性关键技术）研究内容：针对电子束3D打印所需的低氧含量球形TiAl合金粉末，研究铝元素挥发、粉末球形度差、空心粉高问题，突破工业化生产球形TiAl合金粉末和工业化TiAl构件增材制造关键技术；开展增材制造TiAl合金的材料—工艺—组织—缺陷—性能一体化系统研究及典型服役性能测试，突破构件增材制造工艺及性能控制关键技术，掌握包括材料、工艺、组织调控、性能特征及典型应用，为新一代航空发动机高温关键构件制造及工业化应用提供技术支撑。2.3 光热发电用耐高温熔盐特种合金研制与应用（示范应用）研究内容：针对太阳能光热发电产业低成本高效发电可持续发展需求，以下一代低成本高效超临界二氧化碳光热发电系统中耐高温氯化物混合熔盐特种金属材料及其制造技术为研究对象，研究耐高温不锈钢、高温合金板材及其焊接界面在高温氯化物、硝酸盐中的腐蚀机理和服役寿命预测技术，研究满足氯化物和硝酸盐熔盐发电系统用的耐高温不锈钢、高温合金板材成分和组织设计及其批量制造技术，开发耐高温熔盐不锈钢、高温合金成型和焊接行为及其先进制备技术，发展高温合金长寿命高吸收率吸热涂层，实现高性能不锈钢、高温合金产品开发及应用示范。2.4 海洋工程及船用高端铜合金材料（共性关键技术）研究内容：针对舰船和海洋装备泵体、管路及阀门等耐蚀性差、服役寿命短、高端材料依靠进口的问题，研究海洋工程及船用新型高性能铜合金材料设计、成分—组织—工艺内禀关系、腐蚀行为及耐蚀机理，开发耐高流速海水冲刷型铜合金承压铸件制备、超大口径耐蚀铜合金管材加工及管附件成形、海洋油气开采用高耐磨高耐蚀铜合金管棒材加工及热处理组织性能调控等高质量低成本工业化制造技术，开展产品应用技术研究，实现高端铜合金典型产品示范应用。3. 轻质高强金属及其复合材料3.1 苛刻环境能源井钻采用高性能钛合金管材研究开发及应用（示范应用）研究内容：针对我国油气、可燃冰等能源钻采高耐蚀和轻量化的紧迫需求，研究苛刻环境下高强韧耐蚀钛合金多相组织强韧化、抗疲劳机理，以及高温、高压、腐蚀、疲劳等服役环境下材料损伤及失效机理；建立服役环境适应性材料设计方法及油气井钻采用钛合金钻杆、油套管服役性能适用性评价方法；开发高性能大规格钛合金无缝管材成套工艺技术及关键应用技术；制定专用标准规范，开展苛刻服役条件下应用研究，实现工业化规模稳定生产，在典型应用场景实现示范应用。3.2 先进铝合金高效加工及高综合性能研究（共性关键技术）研究内容：针对汽车、飞行器以及船舶等提速减重、绿色制造的迫切需求，开展以铸代锻、整体成型、短流程、低排放的高效加工技术研究，研发高综合性能的先进铝合金材料；开展先进铝合金材料综合性能评价及加工技术效能评价，形成铸锻一体成型的新型高综合性能铝合金高效加工技术，将铸造、增材制造等铝合金提升到变形铝合金强度水平。3.3 高性能镁合金大型铸/锻件成形与应用（共性关键技术）研究内容：针对商用车、高速列车、航空航天等领域的轻量化紧迫需求，探索热—力耦合条件下大容积镁合金凝固与形变过程中成分—组织—性能演变规律与调控技术，开发适合于大型铸/锻件的高性能镁合金材料；研究大型镁合金铸/锻件组织均匀化与缺陷调控机理，开发高致密度铸造成形技术、大体积熔体清洁传输及半连续铸造技术、挤锻复合一体成形技术；开展大型承载件的结构设计、产品制造、腐蚀防护及使役性能评价等技术研究，并实现示范验证与规模化应用。3.4 新型结构功能一体化镁合金变形加工材制造技术（共性关键技术）研究内容：针对航空航天、轨道交通、能源采掘、电子通信等重大装备升级换代的紧迫需求，研究新型强化相对镁合金力学性能与功能特性的协同调控机理，发展新型结构功能一体化镁合金材料与新型非对称加工技术，开发大规格高强阻尼镁合金环件、宽幅阻燃镁合金型材、高强可溶镁合金管材、高强电磁屏蔽/高导热镁合金板材的工业化制造成套技术及关键应用技术，并实现典型示范应用。3.5 极端环境特种服役构件用构型化金属基复合材料（示范应用）研究内容：针对航空航天特种服役构件用耐疲劳高强韧铝基复合材料、耐热高强韧钛基复合材料以及岛礁建设与隧道掘进等重大工程用高耐磨钢铁基复合材料，开发铝、钛基复合材料用合金粉末的低成本制备技术，解决传统制粉技术细粉出粉率低、氧含量高等技术难题，实现高端铝、钛合金粉末规模化制备。探索复合材料体系—复合构型设计—复合技术—宏微观性能耦合机制与协同精确控制机理，开发跨尺度分级复合构型的定位控制、界面效应与组织精确调控、性能及质量稳定性控制、大型结构件塑性加工与热处理、低成本批量制备等产业化关键技术，开展特种服役性能评价、全寿命预测评估与应用技术研究，建立相关标准规范，实现其稳定化生产与应用示范。3.6 高端装备用高强轻质、高强高导金属层状复合材料研制及应用（示范应用）研究内容：针对高速列车、先进飞机、防护车辆等高端装备轻量化、高性能化的迫切需求，研究高性能多层铝合金板材、铜包铝合金等层状复合材料界面结构与复合机理，探索应用人工智能、大数据等前沿技术优化界面调控的理论与方法，阐明铝合金复合板材的叠层结构、复合界面、陶瓷颗粒第二相等在高应变速率下抵抗冲击的作用机理；开发防护车辆、特种装备等用抗冲击多层高强铝合金复合板材的工业化制造成套技术及复合板材的性能评价等关键应用技术；开发高速列车、航空航天、电力电器等高端装备用铜包铝合金复合材料短流程高效工业化生产成套技术及多场景应用关键技术，实现在高端装备上的示范应用。4. 先进结构陶瓷与陶瓷基复合材料4.1 高端合金制造及钢铁冶金用关键结构陶瓷材料开发及应用（示范应用）研究内容：面向冶金产业提升的发展需求，研究高端合金制造及钢铁新技术领域用关键结构陶瓷材料组分设计与制备技术，开发高品质高温合金制备用结构陶瓷材料、冶金领域用高效节能硼化锆陶瓷电极、薄带连铸用结构功能一体化陶瓷材料的规模化生产工艺，开展应用评价技术研究，建立规模化生产线，研制关键生产设备，制定制备及检测标准。4.2 低面密度空间轻量化碳化硅光学—结构一体化构件制备（基础前沿技术）研究内容：针对空间遥感光学系统的应用需求，研究低面密度空间轻量化碳化硅光学—结构一体化构件的结构拓扑设计，开展复杂形状碳化硅构件的增材制造等新技术、新工艺研究，开发低面密度复杂形状碳化硅构件的近净尺寸成型与致密化烧结技术，开展低面密度空间轻量化碳化硅光学—结构一体化构件的光学加工与环境模拟试验研究，实现满足空间遥感光学成像要求的低面密度碳化硅光学—结构一体化构件材料制备。4.3 高性能硅氧基纤维及制品的结构设计与产业化关键技术（示范应用）研究内容：针对高效隔热防护服、高强芯片、高保真通讯电缆等对高性能硅氧基纤维及制品的应用需求，研究硅氧前驱体化学组成、结构重组、多级微纳结构演变对纤维成型的影响规律，攻克硅氧基无机制品高温均匀化熔制拉丝关键技术，开发高强玻璃纤维；研究前驱体分子缩聚和纳米/微米多级孔组装结构演变对孔结构形成的影响规律，突破多孔玻璃纤维常温挤出成型技术，开发低介电、低热导、轻质柔性玻璃纤维；研究模拟月球和火星环境的微重力、高真空环境下玄武岩材料熔制技术及深空环境对纤维成型的作用机制，开发高性能连续玄武岩纤维；开展高性能玻璃纤维及复合制品产业化示范，形成千吨级生产线；开发极端环境的模块化连续玄武岩纤维成型装置，实现微重力下自主成纤中试。5. 先进工程结构材料5.1 海洋建筑结构用耐蚀钢及防护技术（共性关键技术）研究内容：针对海洋建筑结构对长寿命钢铁材料的需求，研究高盐雾、高湿热、强辐射等严酷海洋环境下，钢铁结构材料的失效机理与材料设计准则；防腐涂层的成分设计、制备技术、涂装工艺及腐蚀评价；耐蚀钢板/钢筋的成分设计、制备技术、焊接技术及腐蚀评价；复合钢板的制备技术、焊接技术及腐蚀评价；海洋建筑结构用钢的服役评价、设计规范及示范应用。开展免维护海洋结构用低合金耐蚀钢板及复合钢板的成分设计及制备技术研究；开展防腐涂层设计与制备技术、钢板与涂层耦合耐蚀机理研究；研究低成本耐蚀钢筋母材与覆层协同耐蚀机制与制备技术；开展耐蚀钢连接技术研究；建立复杂海洋环境钢材及构件的服役评价及全寿命周期预测方法。6. 结构材料制备加工与评价新技术6.1 金刚石超硬复合材料制品增材制造技术（示范应用）研究内容：围绕深海/深井勘探与页岩气开采、高端芯片制造等国家重大工程对长寿命、高速、高精度超硬材料制品的需求，开展高性能金刚石刀具、磨具和钻具等结构设计和增材制造技术研究，结合新型金刚石超硬复合材料工具宏观外形和微观异质结构的理论设计和数值模拟，重点突破增材制造用含金刚石的球形复合粉体关键制备技术和含超硬颗粒的多材料增材制造关键技术，完成典型工况条件下服役性能的评价。6.2 高强轻质金属结构材料精密注射成形技术（共性关键技术）研究内容：针对5G基站、消费电子、无人机或机器人等领域对高强轻质结构零件的迫切需求，研究粉末冶金高强轻质金属结构材料及其注射成形工艺过程精确控制原理与方法、小型复杂构件精密成形、低残留粘结剂设计及杂质元素控制、强化烧结致密化及合金的强韧化。重点突破粉末冶金高强轻质钢设计及其粉末制备、低成本近球形钛合金微细粉末制备、可烧结高强粉末冶金铝合金及近球形微细粉末制备、组织性能精确调控等关键技术，实现高强轻质金属复杂形状制品的稳定化宏量生产。6.3 大型复杂薄壁高端金属铸件智能液态精密成型技术与应用（共性关键技术）研究内容：面向大涵道比涡扇航空发动机、新能源汽车等对超大型复杂薄壁高端金属铸件的需求，打破传统“经验+试错法”研发模式，探索基于集成计算材料工程、大数据与人工智能相结合的金属铸件智能液态精密成型关键技术。研究超大型复杂薄壁金属铸件凝固过程的组织演变与缺陷形成机理，建立多物理场耦合作用下铸件组织与缺陷的预测模型，发展数据驱动的材料综合性能与铸造工艺多因素智能化寻优方法，形成金属铸件智能液态精密成型数字孪生模型及系统。6.4 复杂工况下冶金领域关键部件表面工程技术与应用（示范应用）研究内容：针对冶金领域高温、重载、高磨损等复杂工况对关键部件表面防护技术的迫切需求，开展复合增强表面工程材料及涂镀层结构的理性设计，开发高效率、高性能激光熔覆、堆焊、冷喷涂、复合镀等技术及多技术结合的复合表面工程技术，攻克复杂工况下冶金领域关键部件表面耐高温、耐磨损、抗疲劳涂镀层制备的关键技术，开展其服役性能评价和寿命预测，并应用于挤压芯棒、结晶器、除鳞辊等典型部件，在大型钢铁冶金企业得到示范应用。7. 基于材料基因工程的结构与复合材料7.1 结构材料多时空大尺寸跨尺度高通量表征技术（基础前沿技术）研究内容：针对高温合金、轻合金和高性能复合材料等的工程化需求，基于先进电子、离子、光子和中子光源，集成多场原位实验与多平台关联分析技术，研发晶粒、组成相、相界面、化学元素、晶体缺陷与织构的多时空跨尺度高通量表征、智能分析与快速评价技术，研发大尺寸多尺度组织结构和宏微观力学性能高通量表征技术与试验装备，实现典型工程化结构材料制备、加工和服役过程中内部组织结构的动态演化和交互作用规律的高效研究，建立材料成分—组织—性能的多尺度统计映射关系与定量模型，在典型结构材料的改性、工艺优化和服役评价等方面得到实际应用。7.2 金属结构材料服役行为智能化高效评价技术与应用（共性关键技术）研究内容：针对金属结构材料腐蚀、疲劳、蠕变等服役性能评价耗时长、成本高的问题，通过多物理场耦合、宏微观跨尺度损伤建模，融合智能传感、信号处理、机器学习等现代技术，研发材料服役性能物理实验与模拟仿真实时交互和数字孪生的智能化高效评价技术和装置；研究金属结构材料数据虚实映射与数据交互规则，建立数据关联平台，加速材料服役性能数据的积累，形成关键金属结构材料安全评价数据系统；集成结构模型与损伤模型，发展基于大数据技术的金属结构材料服役安全评价和寿命预测的新技术和新方法，并获得实际应用。7.3 基于材料基因工程的新型高温涂层优化设计研发（共性关键技术）研究内容：针对海上动力装备用热端部件及其海洋腐蚀环境，发展高温涂层的高通量制备技术，开展新型高性能高温涂层成分和组织结构的高通量实验筛选和优化研究；研发涂层—基体界面结构和性能多尺度高效模拟设计和预测技术，研发涂层高温力学性能、界面强度、残余应力和高温腐蚀性能等的高通量实验技术，开展涂层与界面性能和工艺优化研究；综合利用材料基因工程关键技术，研发出具有重要工程应用前景的新型超高温、耐腐蚀涂层。7.4 高强韧金属基复合材料高通量近净形制备与应用（共性关键技术）研究内容：针对航空航天领域高强韧金属基复合材料应用需求，围绕非连续增强金属基复合材料强韧性失配及复杂构件成形加工周期长、成本高、材料利用率低的突出问题，结合利用材料基因工程思想和近净形制备技术原理，研发铝基、钛基复合材料高通量近净形制备技术及其高通量表征技术；测试和采集基体/增强相界面物理化学数据，建立基体/增强相界面热力学和动力学物性数据库；研究铝基、钛基复合材料成分—构型—工艺—界面—性能交互关联集成计算技术，实现材料体系与构型及其近净形制备工艺方案与参数的高效同步优化，并在航空航天等领域得到工程示范应用。7.5 先进制造流程生产汽车用钢集成设计与工程应用（示范应用）研究内容：鉴于钢铁工业绿色制造、生态发展对先进制造流程生产高端钢铁材料的迫切需求，基于材料基因工程的思想，针对近终形流程生产汽车用钢，采用多场耦合和跨尺度计算技术，集成材料开发与产品应用的跨尺度计算模型，构建一体化集成计算平台，建立材料基础数据和工艺、产品数据库，开发基于数据挖掘和强化机制的组织性能定量关系模型，实现产品成分—工艺—组织—性能的精准预报；开展在近终形流程生产汽车用钢的示范应用，研制出代表性产品并实现工程应用。7.6 增材制造用高性能高温合金集成设计与制备（共性关键技术）研究内容：针对航空发动机、高超声速飞行器、重载火箭等国家大型工程所需高温合金精密构件服役特点和增材制造物理冶金特点，应用材料基因工程理念，发展多层次跨尺度计算方法和材料大数据技术，形成增材制造用高性能高温合金的高效计算设计方法、增材制造全流程模拟仿真技术与机器学习技术，结合高通量制备技术和快速表征技术，建立增材制造用高性能高温合金的材料基因工程专用数据库；发展适合高温合金增材制造工艺特性的机器学习、数据挖掘、可视化模拟等技术，开展增材制造用高温合金高效设计与全流程工艺优化的研究工作，实现先进高温合金高端精密构件的组织与尺寸精密化控制，并在航空航天等领域得到工程示范应用。7.7 极端服役条件用轻质耐高温部件高通量评价与优化设计（共性关键技术）研究内容：发展基于大数据分析和数据挖掘的高温钛合金、钛铝金属间化合物等轻质耐高温部件组织结构与疲劳、蠕变等关键性能的定量预测模型；研制实时瞬态衍射、原位成像表征装置，发展三维无损检测高效分析技术；研究高温腐蚀环境下组织结构演化和性能退化机理、高温和循环载荷等多因素耦合作用下的损伤累积及高通量评价与寿命预测技术；基于极端环境服役性能需求，利用机器学习和数据挖掘技术，实现轻质耐高温材料的成分、组织、制备工艺、服役性能的高效优化，并在航空、航天、核能等领域实现在极端服役条件下工程示范应用。8. 青年科学家项目8.1 车载复合材料LNG高压气瓶制造基础及应用技术研究内容：针对车载复合材料液化天然气（liquefiednaturalgas，LNG）高压气瓶的制造与应用，研究LNG介质相容的树脂基复合材料体系设计与制备；耐极端环境复合材料LNG气瓶结构设计技术；复合材料LNG高压气瓶抗渗漏、抗漏热和抗振动技术；复合材料LNG高压气瓶制造技术；复合材料LNG高压气瓶的性能评价技术。8.2 新一代结构功能一体化泡沫的制备和应用研究内容：面向结构功能一体化泡沫技术迭代的迫切需求，开发具备负泊松比和高耐火保温等功能的泡沫，主要针对新型多级结构负泊松比结构泡沫材料、耐高温聚酰亚胺泡沫和高温可发泡防火材料等开展攻关，并开展其复合材料研究，在结构支撑、保温隔热等领域得到应用。8.3 单晶高温合金先进定向凝固技术及其精确模拟研究内容：针对当前航空发动机单晶涡轮叶片生产合格率低、冶金缺陷频发的现状，开展单晶高温合金及叶片高温度梯度液态金属冷却（LMC）定向凝固技术研究，突破LMC技术中动态隔热层配置、晶体取向控制、模壳制备、低熔点金属污染控制等关键技术，实现LMC技术的多场耦合、多尺度精确模拟，研究复杂结构单晶叶片在高梯度定向凝固中的缺陷形成、演化机理，发展缺陷控制技术。8.4 海洋油气钻采关键部件用高强高韧合金研究内容：针对海洋油气随钻测量和定向钻井、海底井口设备关键部件主要依靠进口问题，开展时效硬化型高强韧镍基、铁镍基耐蚀合金设计、高纯净低偏析冶金、强韧化机理、应力腐蚀疲劳失效寿命评估理论与方法等基础共性技术和产业化关键技术研究，实现高强韧、大规格、高均质耐蚀合金和超高强度高耐蚀合金稳定批量生产和工程化应用。8.5 基于增材制造技术的超轻型碳化硅复合材料光学部件制造研究内容：面向空间光学系统轻量化的发展需求，研究新型超轻型碳化硅复合材料光学部件预制体增材制造用粉体原料的设计与高通量制备技术；开发基于增材制造技术的碳化硅复合材料光学部件基体成型与致密化技术；开发基于增材制造技术的碳化硅复合材料光学部件表面致密层制备技术；开展超轻型碳化硅复合材料光学部件的加工验证研究。8.6 基于激光技术的材料服役行为多维度检测技术和装备研究内容：针对核电、海工等领域极端条件下结构材料服役性能远程在线、多维度、智能化检测的发展需求，开展基于激光技术的光谱、表面声波、超声或多种方法融合的材料组分、结构特性、力学性能、缺陷特征检测新原理和新方法研究，发展极端条件下结构材料服役行为的实时、原位、无损监检测技术，研制与材料基因工程大数据、人工智能分析算法和机器人技术深度融合的材料多维、多尺度在线监检测原型装置，实现多场耦合极端环境下材料多层次、多维度服役性能原位无损在线测量及示范应用。8.7 超高刚度镁基复合材料的集成计算设计与制备研究内容：以航空、航天或高铁领域为应用场景，针对超高刚度镁基复合材料特点，发展高刚度镁合金集成材料计算软件和镁基复合材料高通量实验技术，开展基于弹性变形抗力提升的镁合金基体成分设计和增强体种类、尺寸和分布形态对镁合金刚度和强韧性影响规律的研究工作，研发多尺度增强体复合构型强化的镁合金材料高效制备与组织调控技术，建立高刚度镁基复合材料及其典型构件的全流程制备技术，并实现在重大工程中的应用验证。8.8 增材制造先进金属材料的实时表征技术及应用研究内容：研发基于同步辐射光源的原位表征技术与装备，动态捕捉增材制造过程中高温下微秒级时间尺度和微米级局域空间内的相变和开裂；通过高通量的样品设计和多参量综合表征手段，揭示动态非平衡制备过程中材料组织结构的演化和交互作用规律。面向典型高性能结构材料，揭示增材制造快速熔化凝固超常冶金过程对稳定相、材料组织结构和最终性能产生影响的因素，快速建立材料成分—工艺—结构—性能间量化关系数据库；结合材料信息学方法，发展增材制造工艺和材料性能高效优化软件，在典型增材制造材料的设计与优化中得到应用。8.9 新一代抗低温耐腐蚀高强韧贝氏体轨道钢研究内容：针对低温下贝氏体钢中亚稳残余奥氏体易转变为脆性马氏体，增加贝氏体钢轨道安全服役隐患的问题，研究腐蚀、低温环境下贝氏体轨道钢（含钢轨和辙叉）的失效破坏机制，建立贝氏体轨道钢“夹杂物特性—组织结构—常规性能—服役条件—失效方式及寿命评估”数据库，开发适用于腐蚀、低温环境的新一代高强韧性、长寿命贝氏体轨道钢及其冶金全流程制造关键技术。近期会议推荐：【复合材料性能表征与评价网络研讨会】该网络会议对听众免费，会议日程及报名二维码如下：

撰文丨王冯斌博士"Truth never triumphs - its opponents just die out." - Max Planck.普朗克大佬的意思大概是 "Old theories never die only their proponents do"。某些科研领域确实存在一些很尴尬的现象，一个方向停滞不前，是因为多年前领域里的大佬一把油门把别人带到坑里去了，然后大佬又因为不为人知的原因，死活不承认。今天要讲的，就是一个这样的故事（编者注：2022年7月7日，弗吉尼亚大学王冯斌博士以第一作者身份在Nature Microbiology上发表了文章Cryo-EM structure of an extracellular Geobacter OmcE cytochrome filament reveals tetrahaem packing）。德里克老铁是一个有名的微生物学家。35年前在华盛顿DC的河流沉积物里发现了一种厌氧菌，这个菌就厉害了，能产生一种好几微米长的“导电毛”，在很长的距离传导电子，进行能量代谢。德里克研究这种导电毛一搞就是30来年。后来他们发现，一但敲掉一个叫pilA-N的“第四型菌毛”的基因，导电毛就没了。pilA-N呢，结构上只是一个很疏水的长helix，是第四型菌毛中间的疏水核心。尽管pilA-N在很多结构生物学家眼中可不可溶都是个问题，德里克老铁却认定了导电毛一定是pilA-N，坚信自己可以守得云开见月明。随着冷冻电镜技术革命，现在大家也不用天天只靠遗传实验做这些判断了。想知道导电毛是啥？放在冷冻电镜下看看喽。2019年，我们直接用冷冻电镜观察了导电毛，至于它的组成与第四型菌毛蛋白之间的关系，只能说是毫不相关。导电毛其实是multi-heme cytochrome形成了一种之前从没被发现过的菌毛，而multi-heme的细胞色素，大家早就知道它们可以传导电子了（详见BioArt报道：Cell | 王冯斌博士等解析地细菌导电纳米线的冷冻电镜结构）。德里克老铁没有欣然接受这一现实，而是继续选择逐梦第四型菌毛。他声嘶力竭的质问，为啥突变了pilA-N，导电毛就没了？啊？尼秋老铁是德里克之前的博士后，现在已经是名校教授，非常的“父慈子孝”。在2021年发表了一个相对令人信服的模型，说第四型菌毛在该菌里包括两个蛋白pilA-N和pilA-C，第四型菌毛平常是不分泌到细胞外的，基本上相当于一个泵，有事没事动一动，把细胞色素形成的导电毛给怼出去。(ref: https://doi.org/10.1038/s41586-021-03857-w)德里克老铁彻底的愤怒了，说“冷冻电镜看不到我说的3nm的pilA-N“导电毛”不代表它就不存在！我用AFM就能看见！你们冷冻电镜都是artifact！”你看，这不是巧了嘛。我们最近又做了一些别的冷冻电镜的观察。我们把初代“导电毛”的关键氨基酸给突变了，本来想研究研究突变的初代导电毛。您猜怎么着，如果用一个一般的promoter表达突变，我们压根看不到突变的初代导电毛，反而看到了一种新的导电毛，OmcE。猜猜他是啥，还是细胞色素。谁能想到细胞这么“聪明”，连初代导电毛的替代品都悄默默的存好了。如果用一个过表达的promoter，不仅可以看到OmcE，还能看到初代菌毛的一些bundles，还有少量把他们泵出来的第四型菌毛(pilA-N和pilA-C，他们分开的话pilA-N很可能不可溶)。可能是表达的太猛烈了，泵工作的太猛，把自己都怼出来了。图 OmcS导电毛的替代品, OmcE那么，就真的没有3nm的毛了嘛？德里克老铁眼神儿就那么不好吗？其实还真有一个2.5nm左右的毛，偶尔会出现。加了Dnase I就会消失，是的，它就是——B-form DNA。图：所有毛的画像别着急，还会有新的细胞色素导电毛被发现的。我期待德里克老铁改变自己看法的那一天。

“我们通过冷冻电镜技术拿到了核孔复合体高分辨率的密度图。然后借助于 AlphaFold 结构预测，搭建出核孔复合体胞质环的精细模型。通过原子模型，为解释细胞核的运输机制，理解细胞生命活动的基本过程提供了重要的结构基础，同时也能为非常多相关的疾病提供重要的线索。”美国国家科学院院士、哈佛大学医学院生物化学及分子药理学教授团队表示。6 月 10 日，该课题组在 Science 上发表题为《核孔复合体胞质环的结构》的论文 [1]。图 | 相关论文（来源：Science）董颖、皮雄、彼得罗丰塔纳（Pietro Fontana）担任共同第一作者，吴皓担任通讯作者。图|吴皓（来源：吴皓个人主页）利用单颗粒低温冷冻电子显微镜和 AlphaFold 预测，确定了来自非洲爪蟾卵母细胞中一个接近完整的结构对于在该研究中 AlphaFold 所起到的作用，董颖表示，此次解析的核孔复合体（NPC，nuclear pore complex）是真核生物中最大的膜蛋白复合物之一，它位于核膜上，介导核膜内外的物质转运。由于其分子量巨大，组成成分复杂，动态变化多样，这使得电镜解析图谱的分辨率很有限（6-7 埃），并且搭建分子模型困难重重。但是 AlphaFold 的出现很好地弥补或一定程度上解决了图谱分辨率不足的问题，它可以预测很多没有结构的蛋白亚基，从而补充解释蛋白复合物结构里缺失的结构单元的高分辨信息；还可以预测部分亚基相互作用界面，从而说明亚基作用的结构基础以及生物学意义。另一方面，AlphaFold 预测也并非万能，它给出了诸多的可能性之后，课题组也需要理性分析哪一种结果最为合理，最能解释得清楚相关生物学现象。论文共同作者皮雄表示：“AlphaFold 能够预测出相互作用的蛋白亚基，与我们通过冷冻电子显微学计算出来的比较相符，从而大大方便了我们确定相互作用的蛋白亚基，进而加速我们模型搭建的过程。”图 | 皮雄（来源：皮雄）据悉，核孔复合体是细胞质和细胞核之间双向物质运输的管道。该团队利用单颗粒低温冷冻电子显微镜和 AlphaFold 预测，确定了来自非洲爪蟾卵母细胞的核孔复合体胞质环的一个接近完整的结构。使用 AlphaFold 预测核孔蛋白的结构，并以突出的二级结构密度作为指导，将核孔蛋白的结构拟合到中等分辨率的图谱中。利用 AlphaFold 进行复杂的预测，还可以进一步建立或证实某些分子间的相互作用。课题组鉴定了 Nup358 的 5 个拷贝的结合模式，这是最大的核孔复合体亚基，具有 Phe-Gly 重复序列，并预测它包含一个线圈-线圈结构域，在一定条件下可能作为成核中心辅助核孔复合体形成。核孔复合物是真核细胞核膜中的分子管道，可以调节细胞核和胞质溶胶之间生物分子的进出口，脊椎动物核孔复合体的分子量约为 110 至 125 MDa，直径约为 120 nm。核孔复合体被分为四个主环：胞质侧的细胞质环（CR，cytoplasmic ring），核膜平面上的内环（Inner Ring, IR）和管腔环 (Luminal Ring, LR)，以及面向细胞核的核环 (Nuclear Ring, NR)。每个环具有相似的八重对称，并由不同的核孔蛋白的多个副本组成。核孔复合体参与了许多生物过程，其功能障碍与越来越多的严重疾病有关。尽管在过去的 20 年里，许多团体进行了开创性的研究，但人们仍然缺乏对核孔复合体的组织、动态和复杂性的充分理解。图 | 董颖（来源：董颖）（来源：Science）预测核孔复合体中最大的蛋白 Nup358 具有 s-形球状结构域此次研究中，该团队使用非洲爪蟾卵母细胞，作为结构表征的模型系统，因为每个卵母细胞都有大量的NPC颗粒，因此这些颗粒可以在没有去垢剂提取的帮助下，在天然核膜上可视化。据悉，课题组使用单颗粒冷冻电子显微镜，来分析不同倾斜角度的数据并进行三维重建，之后用 AlphaFold 进行模型构建和结构预测，重建了 X.laevis NPC 的 6.9 和 6.7埃分辨率的全 CR 原聚体和一个核心区域，并使用 AlphaFold 预测了单个核孔蛋白的结构。对于任何模糊的亚基相互作用，该团队也预测了复杂的结构，这进一步指导了 CR 原聚物的模型拟合。他们将核孔蛋白或复杂结构置于 CR 密度中，以获得一个几乎完整的 CR 原子模型，由内部和外部 Y复合物、两个 Nup205 拷贝、两个 Nup214-Nup88-Nup62 复合物拷贝、一个 Nup155 和 5 个 Nup358 拷贝组成。值得注意的是，课题组预测了核孔复合体中最大的蛋白 Nup358 具有 s 形球状结构域，一个线圈结构域和一个含有苯丙氨酸-甘氨酸（FG）重复序列的 c 端区域，而先前显示形成的一个凝胶样的凝析相，可用于选择性物质通道。其中，四个 Nup358 拷贝夹在内部和外部 y 复合体周围以稳定 CR，第五个 Nup358 位于夹子簇的中心。另据悉，AlphaFold 还预测了一个同源低聚物，可能是 Nup358 的五聚体、卷曲螺旋结构，这可能为 Nup358 募集到核孔复合体提供亲合力，并降低 Nup358 在核孔复合体生物发生中凝聚的阈值。可以说，此次研究提供了一个整合的低温冷冻电子显微镜和结构预测的例子，可作为从中等分辨率密度图中、获得更精确的兆道尔顿蛋白复合物模型的新方法。该论文提出的更准确、以及几乎完整的 CR 模型，扩展了他们对NPC分子相互作用的理解，代表了向完整的NPC分子结构迈出的实质性一步，对NPC的功能、生物发生和调控具有影响。（来源：Science）有望成为结构生物学的规范该团队在论文中表示，几乎完整的 NPC CR 模型揭示了其内部的分子相互作用及其生物学意义。CR 组装的一个意想不到的方面是，他们观察到了 Nups 之间的组成和绑定模式的不对称性：其一，两个 Y 配合物之间的构象差异；其二，两个 Nup205 分子与 Y 配合物的结合模式不同；其三，两个 Nup214-Nup88-Nup62 配合物并排放置；其四，5 个 Nup358 配合物具有不同的结合模式。因此，这种不对称性是代表 CR 的基础状态、还是由放线菌素 D(Actinomycin D，ActD) 的结合引起的，以及它是否会是 NR、IR 或 LR 结构中的共同特征？这将是一个很有趣的问题。而研究人员的 X.laevis NPC 样本来自单倍体卵母细胞，这可能与体细胞中的核孔复合体有更大的不同。该团队认为，Nup358 的多个拷贝、及其低聚卷曲螺旋关联，解释了其在细胞质中卵发生过程中，作为NPC组装的关键驱动因素的作用，这不同于有丝分裂后和较慢的间期NPC组装。这一过程发生在内质网（ER，endoplasmic reticulum）的堆叠膜片上，称为环状膜层（AL，annulate lamellae），其苯丙氨酸-甘氨酸（FG，Phenylalanine-glycine）重复序列中的 Nup358复合物作为紧固件，从开始空间就可指导核孔复合体生物发生。这说明，Nup358 的低聚结构可能会降低 Nup358 复合体形成的阈值，从而有助于解释其在不同 Nups 中的成核作用。此外，课题组还提出了一种综合的方法，利用冷冻电子显微镜和 AlphaFold 结构预测的最新发展，从而带来了更精确的核孔复合体建模。在学界最近发表的论文或预印本论文中，也使用了类似的方法来确定核孔复合体的结构。AlphaFold 预测与传统结构建模不同，这是基于人工智能的建模方式。实现高分辨率的目标，是获得尽可能好的最佳模型。而在建模过程中，包含来自 AlphaFold 的信息，可能类似于该领域之前对立体化学约束所做的事情。随着复杂预测的能力更加普遍，该团队预计这种方法不仅有助于新结构的建模，而且有助于重新绘制以前的中分辨率低温电子显微镜图，成为结构生物学的规范。（来源：Science）董颖表示：“很多时候，我们采取科学的验证方式——用一系列生化实验对 AlphaFold 预测结果进行反向验证。我们利用人工智能，冷冻电镜与传统生物化学综合研究方式，推动了我们对复杂、动态的生物大分子的结构和功能的进一步理解。由此可见，AlphaFold 的出现给我们研究科学问题的方式也带来了革命性影响。我们在未来的科学研究中，只要大胆尝试，多方位思考，总能碰撞出美妙的火花！”担任论文共同作者的傅天民，目前在俄亥俄州立大学药学院，担任生物化学与药理学助理教授。其表示，该课题由他之前在吴皓教授实验室发起。他介绍了该研究的背后故事：2019 年初，吴皓教授与实验室的学生们，在佛罗里达参加美国生物化学与分子生物学年会。会后，吴老师带着学生们去吃火锅，饭桌上大家聊起结构生物学最重大的问题还有哪些，傅天民提出核孔复合物的结构是一个重要且没完全解决的问题，这个提议得到了吴皓教授的支持。回到波士顿后，王隆飞打算用酵母细胞来研究核孔复合物，傅天民则着手用非洲爪蟾的卵母细胞来研究。之所以选定爪蟾卵母细胞主要因为这类细胞易于获取，而且细胞核上有丰富的核孔复合物。后来，傅天民要去俄亥俄州立大学建立自已的实验室，课题转交给两个新来的博后董颖和 Pietro，他们两个紧密合作，克服了一系列技术难题，初步拿到了一些高质量的样品，收集了一些数据。随后，皮雄博士加入课题。皮雄博士和董颖博士通过大量的数据处理，为冷冻样品优化提供了正确的方向。最后通过大家几个月不懈的努力，利用进一步优化的高质量样品，收集了几万张冷冻电镜照片。最终皮雄博士通过冷冻电镜三维重构技术得到了高分辨率的密度图。Alex 利用 AI 结构预测对结构模型搭建起了重要作用。吴皓教授整个过程的支持、指导是课题得以成功的决定力量。董颖表示：“NPC是我进入吴老师实验室的第一个课题。现在回想起来整个研究经历都有些百感交集。当时我们‘白手起家，从零开始’。我从未接触过动物实验，我只能查找文献，自己摸索一切实验流程。中途可谓困难重重，我时常在解剖镜前解剖蛙卵，铺膜制样，一坐就是一整天。制样优化样品周期很长，我们寻找了各式各样的载网（因为不是所有载网在高角度拍摄的条件下都稳定），我做了很多载网稳定性的分析，光是优化样品就花了半年多。优化中途，陆续已有相关研究报道出现，当时我们整个团队几乎都要放弃。就在这时，皮雄博士通过大量的计算，得到了七埃左右分辨率的密度图。同时吴老师提议我们为模型搭建寻找新的切入点——恰逢AlphaFold横空出世，我们一不做二不休，立刻开启寻找冷冻电镜与AlphaFold对接的可能。”经过几个月没日没夜的计算、预测、模型搭建，课题组惊奇地发现新的研究方式带来了意想不到的研究结果。功夫不负有心人，最终他们非常有幸地与来自不同研究组的科学家们同台展示了研究结果。皮雄表示：“核孔复合体作为细胞生命活动的‘南天门’，严密调控着细胞的生命活动。作为一个功能如此复杂，形态巨大的复合体，它的精细结构是如此的严密和复杂。拿到它的精细结构也是非常困难。作为一个如此困难的课题，需要团队每个成员紧密合作，协同前进。每一部分工作都包含了团队每个成员的巨大努力。研究中，我主要负责冷冻电镜的数据处理，拿到高分辨率的核孔复合体的密度图，同时也参与了冷冻样品的优化。”（来源：Science）对于该成果的应用，董颖表示：“已经有相关研究报道说明NPC结构和功能的异常和许多疾病相关，例如神经退行性疾病阿尔兹海默症，介导了一些病毒如HIV的入侵，甚至会诱导一些癌症的发生。由于核孔复合体介导了很多重要物质的转运，其研究一直是近几年来科学界研究的一大热点。目前针对它的研究还处于相对基础的阶段，这主要受到它的复杂性，和动态性的局限。但就它推广到应用的可能性来讲，我认为只要我们能够把它‘看’得足够清楚，运动的原理理解的足够清楚，我们就有可能对它进行靶向药物设计，调节它的底物转运。给治疗人类疾病提供更多可能。最近几年来随着冷冻电镜技术和人工智能的进步，相信二者能共同推动其成为新兴药物靶点，逐步应用到疾病治疗。”对于后续计划，董颖表示：“我们队 NPC 的研究还只是冰山一角，后续有很多有趣的研究方向——现举几个例子：（1）由于核孔复合体底物众多，但出核和入核的底物的识别和转运机制如何？NPC 转运物质的孔道呈现有趣的胶状结构，这一结构高度动态，很可能在底物转运过程中发生相分离，我们可以借助单分子荧光标记来细化这些转录途径。（2）研究 NPC 的某些特定的活动状态，已经有研究报道酵母中可能存在多种 NPC 的状态和组装形式，这些结构组成具体参与了怎样的生物学功能还不清楚。（3）NPC 组装和解聚如何发生，特定组装状态下有哪些多辅助分子参与稳定其状态，这些我们可以联合质谱技术来鉴定新的作用亚基。”澳大利亚莫纳什大学药物科学研究所曹剑骏评价称，在本文中，该团队首先利用核孔复合体在非洲角蟾卵母的极高丰度这一特质，对天然膜环境中地核孔复合体进行直接观察，避免了可能存在人为纯化干扰。同时，课题组使用倾斜样品的方式，解决了膜蛋白样品在膜中的受限的角度分布，从而实现蛋白结构的三维重建。此过程中，该团队以令人敬佩的毅力手工选取了 20 万单颗粒样品，以实现整个核孔复合体的低分辨率（19 埃）结构，并集中于胞质环的局部结构解析得到中等分辨率（~7 埃）的电子云密度图。但这一分辨率依旧只能辨别大致的二级结构特征，而存在建模困难。因此，该团队尝试借助最新的 AlphaFold 基于序列的结构预测功能，由单个亚基、多亚基局部预测出发，实现整个胞质环的结构解析。该团队同时将基于 AlphaFold 的结果与传统的同源结构预测相对比，为蛋白结构工作者提供了一个优秀范例，展示了如何借助 AlphaFold 这一新工具解析未知蛋白结构。研究中，课题组同样也得到了核内环的信号，但是尚未得以解析，想来将来会由相应的工作面世，从而完备整个核孔复合物的结构信息。同时，该论文的蛋白结构分辨率受制于天然核孔结构的非均一性和单颗粒的人工手动筛选通量，而后者有希望得到 AI 辅助单颗粒筛选软件的帮助，从而解放研究人员双手实现以更多的单颗粒数据收集，最终有望解析出各类不同状态的核孔复合体结构，进一步阐述这一精妙的分子复合体的调节机制。-End-支持：Ren参考：1、Pietro Fontana et al., Structure of cytoplasmic ringof nuclear pore complex by integrative cryo-EM and AlphaFold. Science (2022) DOI: 10.1126/science.abm9326

4月27日，科学技术部发布国家重点研发计划“先进结构与复合材料”重点专项2022年度项目申报指南及“揭榜挂帅”榜单。“先进结构与复合材料”重点专项2022年度“揭榜挂帅”榜单围绕商用飞机等重大应用场景，拟解决商用飞机主承力加筋壁板、商用航空发动机风扇叶片等关键实际问题，拟启动2个项目，共拟安排国拨经费不超过4600万元。除特殊说明外，每个榜单任务拟支持项目数为1项。项目下设课题数不超过5个，项目参与单位总数不超过10家。项目设1名负责人，每个课题设1名负责人。应用示范类项目配套经费与国拨经费比例不低于1:1。榜单申报“不设门槛”，项目牵头申报和参与单位无注册时间要求，项目（课题）负责人无年龄、学历和职称要求。申报团队数量不多于拟支持项目数量的榜单任务方向，仍按程序进行项目评审立项。明确榜单任务资助额度，简化预算编制，经费管理探索实行“负面清单”。攻关和考核要求揭榜立项后，揭榜团队须签署“军令状”，对“里程碑”考核要求、经费拨付方式、奖惩措施和成果归属等进行具体约定，并将榜单任务目标摆在突出位置，集中优势资源，全力开展限时攻关。项目（课题）负责人在揭榜攻关期间，原则上不得调离或辞去工作职位。项目实施过程中，将最终用户意见作为重要考量，通过实地勘察、仿真评测、应用环境检测等方式开展“里程碑”考核，并视考核情况分阶段拨付经费，实施不力的将及时叫停。项目验收将通过现场验收、用户和第三方测评等方式，在真实应用场景下开展，并充分发挥最终用户作用，以成败论英雄。 由于主观不努力等因素导致攻关失败的，将按照有关规定严肃追责，并依规纳入诚信记录。榜单任务1. 超高韧碳纤维复合材料及应用（应用示范类）需求目标：针对商用航空发动机风扇叶片轻质、高强、高耐疲劳、抗冲击和耐久性需求，研制国产高强中模碳纤维超高韧复合材料，建立材料标准和过程控制文件（PCD），形成应用设计数据集，选择典型商用航空发动机风扇叶片，完成产品设计、制造和综合验证，通过叶片性能试验和发动机台架试车试验。具体需求目标如下：（1）超高韧碳纤维复合材料：0°拉伸强度（RTD）≥3000兆帕，0°拉伸模量（RTD）≥165吉帕，0°压缩强度（RTD）≥1550兆帕，0°压缩模量（RTD）≥150吉帕，开孔拉伸强度（RTD）≥500兆帕，开孔压缩强度（RTD）≥300兆帕，6.67焦耳/毫米能量冲击后压缩强度≥330兆帕。（2）典型发动机风扇叶片：内部孔隙率≤1%，重量离散系数小于 2%，满足静强度、抗鸟撞和疲劳要求，与钛合金叶片相比减重≥15%。（3）形成3~5项标准或规范，一套PCD文件。时间节点：研发时限为3年。立项后12个月，完成超高韧碳纤维复合材料研制，性能全面达标，形成PCD文件和材料标准。立项后24个月，完成复合材料全面性能研究，形成材料许用值等应用设计数据集；完成风扇叶片设计和制造工艺研究，叶片精度和内部质量满足指标要求。立项后36个月，完成风扇叶片静强度、抗鸟撞和疲劳试验，满足设计要求，与钛合金叶片相比减重≥15%。榜单金额：不超过2300万元。2. 主承力复合材料构件高效自动化液体成型技术研究（应用示范类）需求目标：针对商用飞机主承力加筋壁板高效低成本制造需求，开展蒙皮干纤维自动铺放液体成型技术和长桁拉挤液体成型技术研究。选择商用飞机主承力加筋壁板，进行复合材料结构设计、构件制造和考核验证，完成地面静力试验，支撑复合材料高效自动化液体成型在商用飞机主承力结构上的应用。具体需求目标如下：（1）干纤维铺放材料：长度≥500米/卷，满足自动铺放和预成型体制备工艺要求。（2）干纤维自动铺放效率：蒙皮预成型体制造效率≥3.0千克/小时。（3）干纤维自动铺放液体成型复合材料：纤维体积含量55±2%，6.67焦/毫米能量冲击后压缩强度≥280兆帕；（4）拉挤液体成型：拉挤速度≥0.3米/分钟，复合材料孔隙率≤1.0%；（5）加筋壁板：壁板面积≥10平方米，通过地面静力试验验证，加筋壁板相较预浸料—热压罐工艺制造成本降低20%以上；（6）形成3~5项标准或规范。时间节点：研发时限为3年。立项后12个月，完成干纤维铺放材料研制和预成型体制备工艺研究，性能全面达标，形成PCD文件和材料标准。立项后24个月，完成干纤维自动铺放液体成型和拉挤液体成型工艺研究，制造效率、内部质量、物理和力学性能达到指标要求。立项后36个月，完成≥10平方米加筋壁板研制，通过地面静力试验验证，加筋壁板相较预浸料—热压罐工艺制造成本降低20%以上。榜单金额：不超过2300万元。

p 　　北京大学物理学院毛有东研究员、北京大学物理学院/定量生物学中心欧阳颀院士与哈佛医学院吴皓教授合作利用冷冻电子显微镜技术解析了近原子分辨率的炎症复合体的三维结构，首次阐释了其复合物在免疫信号转导过程中的单向多聚活化的分子结构机理。该研究工作以“Cryo-EM Structure of the Activated NAIP2/NLRC4 Inflammasome Reveals Nucleated Polymerization”为题于2015年10月8日在线发表在国际期刊Science。 /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201511/noimg/eded81e3-c413-4ad4-bdf5-6ba1f32ee5d2.jpg" title=" 炎症复合体三维结构.jpg" / /p p style=" text-align: center " 炎症复合体三维结构 /p p 　　先天免疫是人类免疫系统的重要组成部分，炎症复合体在触发先天免疫响应的过程中起到了关键信号转导的效应器作用，从而启动细胞凋亡等免疫应答和炎症反应。炎症复合体是胞浆内一组复杂的多蛋白复合体，是胱天蛋白酶活化所必需的反应平台，其复合物单体由多个结构域构成，并在上游蛋白的激活下诱导组装形成环状复合物。炎症复合体的结构对于认识先天免疫的信号转导过程、免疫调控和病原诱导活化等免疫响应机理具有关键的核心价值，因而成为国内外一流结构生物学和免疫学实验室追捧的研究对象。 /p p 　　细胞中大多数蛋白复合体都展现了一定程度的分子机械效应，并在信号转导和生化调控过程中表现出构象的异质性和动态性，使得传统的结构分析方法，如X射线晶体学和核磁共振等，难以凑效。单颗粒冷冻电子显微镜技术打破了传统的结构分析方法的诸多限制，使得高分辨结构分析可以直接在单分子水平进行。炎症复合体就是一个典型的无法应用传统结构分析方法的例子。炎症复合体在病原体诱导激活以后，在细胞浆内自发组装成多重准对称和不完整复合物结构 由于炎症复合体的蛋白单体具有一定的动态性，炎症复合体可以随机组装成准10重、11重 和12重对称性。由于这些结构的分子量差异极其细微，现有的蛋白纯化技术无法将这些不同构象的炎症复合体分离开来，高度的构象异质性使得炎症复合体难以结晶。由于炎症复合体的分子量巨大，核磁共振技术也无能为力。冷冻电子显微镜技术在这项研究工作中是唯一的选择。然而，目前为数不多的近原子分辨冷冻电镜结构解析的案例中，被研究的蛋白都表现出较高的构象同质性。构象高度异质性的冷冻电镜结构，往往只能达到中低分辨率水平。目前已发表的近原子分辨冷冻电镜结构还没有一例展现出比炎症复合体更多样的构象异质性水平。因此，炎症复合体的结构分析对现有的冷冻电子显微镜技术提出了新的挑战。毛有东、欧阳颀教授课题组利用他们发展的冷冻电镜数据分析的新算法，通过并行统计机器学习，实现了在超级计算机中对这些细微动态构象的深度分离，从而提取出高度纯化的炎症复合体单颗粒图像的数据集，使得高分辨三维重建成为可能。其中11环结构的分辨率达到4.7埃，使得炎症复合体三维原子结构建模成为现实。 /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201511/noimg/9c131479-439e-4262-9097-9afa7350f223.jpg" title=" 炎症复合体三维结构复合体及其单体在激活态与非激活态之间的构象变化.jpg" / /p p style=" text-align: center " 炎症复合体三维结构复合体及其单体在激活态与非激活态之间的构象变化 /p p 　　北京大学定量生物学中心博士研究生陈硕冰与哈佛医学院博士后张丽曼为文章共同第一作者。北京大学物理学院青年千人计划研究员毛有东与哈佛医学院讲席教授、美国科学院院士吴皓为共同通讯作者。这一工作得到了北京大学科研启动经费、北大-清华联合生命科学中心、Intel并行计算研究基金和美国国家健康研究院的资助。 /p

面向原位结构解析的冷冻电子断层成像（cryo-ET）是研究生物大分子复合物的原位高分辨率结构及其相互作用关系的关键技术。但受限于电子束穿透能力，需要先利用聚焦离子束（cryo-FIB）将细胞和组织样品减薄成200纳米左右的薄片后才能进行cryo-ET数据采集。冷冻光电关联成像技术可以为cryo-FIB精准制备包含特定目标结构的冷冻含水切片提供荧光定位指导，但是冷冻荧光显微镜的光学分辨能力以及光镜、电镜图像的对齐精度是制约冷冻光电关联实验成功率的关键因素。　　为了解决上述技术瓶颈，中国科学院生物物理研究所蛋白质科学研究平台生物成像中心一直致力于开发新型冷冻光电关联成像技术，在前期自主研发的冷冻光电关联成像高真空光学冷台HOPE（Journal of Structural Biology，2017）基础上，通过引入结构光照明成像技术，成功研制了冷冻结构光照明成像系统HOPE-SIM，实现了横向优于200纳米的光学分辨率，以及优于150纳米的光镜-聚焦离子束三维关联对齐精度，相关研究成果于4月29日在线发表在《通讯-生物》（Communications Biology）上。 　　光镜-电镜关联成像技术（Correlative Light and Electron Microscopy，CLEM），是利用荧光特异标记对特定生物大分子或亚细胞结构进行荧光示踪，实现对整个细胞的三维荧光定位成像，之后通过荧光图像和电镜图像的配准，获得荧光标记信号和电镜超微结构的关联信息。冷冻光电关联成像技术的应用方向之一，是通过关联图像，指示出荧光标记的结构在电镜图像中的具体位置，实现对荧光示踪目标物的电镜高分辨率结构解析。而得益于光镜成像对生物样品的无损特性，可以在不损伤样品的前提下获得样品内部的三维荧光定位信息，再通过光电关联成像流程和关联对齐软件，将三维荧光图像与扫描电镜图像关联匹配，实现在荧光信号的指导下进行cryo-FIB对目标区域的减薄加工。如此，便可以避免“盲切”，实现对荧光指示目标物的指导切割，以期提高冷冻聚焦离子束技术用于电子断层成像切片样品制备的效率。 　　目前，光电关联成像指导cryo-FIB减薄技术流程的实现方式有多种类型，根据系统构成可以分为光镜电镜分体式光电关联成像系统和集成型光电关联成像系统。生物成像中心技术团队自2013年开始专注于冷冻光电关联成像技术方法学研究，在光镜电镜分体式光电关联成像系统研制方面， 于2017年自主研制了一款可搭载在倒置荧光显微镜上的高真空光学冷台HOPE（High-vacuum Optical Platform for cryo-CLEM），HOPE可与透射电镜冷冻样品杆适配连接，完成荧光定位后样品将随冷冻样品杆被转移进电镜当中进行高分辨率数据采集，同时结合光电关联定位软件，可以实现大视野光学定位成像与电镜成像的匹配。HOPE采用冷冻样品杆来实现冷冻光镜成像、冷冻传输以及冷冻透射电镜成像，有效避免了光电关联成像过程中对冷冻载网的反复夹取，保证了冷冻样品的完整性和同一性，有效提高了关联成功率和实验效率。　　然而，基于宽场成像技术的HOPE系统受限于光学衍射极限和冷冻光学成像装置的空间限制等，仅能使用长工作距离、低数值孔径的冷冻荧光成像系统，所能达到的横向分辨率约为400-500纳米，纵向分辨率则达微米级，这对于精准捕获数微米厚度细胞内百纳米尺度的目标结构而言，是非常不利的。　　结构光照明超分辨荧光成像技术在能提高宽场荧光显微镜一倍分辨率的前提下，还具备不需要特殊的荧光探针、成像速度快、辐照密度低等技术优势，是所有超分辨成像技术中最适合应用到冷冻环境中对冷冻样品进行高分辨率成像的技术。因此，研究团队选择了结构光照明成像技术作为提高冷冻荧光成像分辨率的手段，基于倒置荧光显微镜自主研制了大腔室高真空冷台，腔室内置0.9NA长工作距离光学物镜和防污染器系统（ACS和cryo-box）、外接真空传输系统（TPS）以及冷冻电镜样品杆（cryo-holder）适配器。同时，借助三维结构光照明（SIM）光路，实现了真空环境下对冷冻样品的三维结构光照明成像，在提高冷冻光镜分辨率的同时，有效增强了光电关联成像样品传输过程中对冷冻样品的保护。图1 冷冻结构光照明成像系统HOPE-SIM。a.HOPE-SIM硬件组成，b. HOPE-SIM设计原理图，c. HOPE-SIM光路原理图 　　借助HOPE-SIM高分辨率冷冻光电关联成像系统以及自主编写的三维关联对齐软件3D-View，团队成功制备了包含宿主细胞内鼠疱疹病毒（图2）和海拉细胞内荧光标记的中心体（图3）的细胞切片样品，通过冷冻电子断层原位结构分析图像处理流程和软件分析其在原位结构。实验结果表明，基于HOPE-SIM技术的高精度冷冻光电方法可以实现优于150nm的三维对齐精度，为尺寸较大、胞内丰度高的目标物的原位捕获提供了一种高效、精确的靶向冷冻聚焦离子束减薄技术方案。图2 基于 HOPE-SIM冷冻光电联技术捕获宿主细胞中的MHV-68病毒颗粒。a.冷冻明场透射光图像；b.HOPE-SIM荧光图像的z投影。绿色，荧光微球。红色，MHV-68病毒；c将b中的荧光图像与a中的明场图像合并，以显示目标信号的位置；d.冷冻SIM和冷冻FIB图像之间的三维关联匹配；e.对目标区域减薄后的冷冻FIB图像；f.减薄后冷冻扫描电镜图像，与b中冷冻SIM图像的融合；g.制备的冷冻含水切片的冷冻透射电镜显微照片（3600倍）；h.冷冻断层扫描成像，放大倍率为64000倍，显示了被捕获的病毒颗粒。 图3 基于HOPE-SIM技术流程精准捕获海拉细胞内红色荧光标记的中心体。a.3D-View光-电关联软件获得的冷冻结构光-cryo-FIB关联配准图；b.cryo-FIB对红色荧光标记所在区域进行减薄；c.cryo-FIB减薄获得的200nm冷冻含水切片；d.冷冻含水切片在透射电镜下8700倍成像，黄色框线内为目标中心体；e.目标中心体的cryo-ET数据采集（53000倍）激光指向位置主动稳定系统示意图。 　　相关研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院战略性先导科技专项（B类）等项目的资助。　　值得一提的是，在集成型光电关联成像系统研制方面， 2023年1月，《自然-方法》（Nature Methods）报道了中科院院士、生物物理所研究员徐涛和研究员纪伟团队研发的cryo-CLIEM系统和生物成像中心技术团队自主研发的三束共焦成像系统ELI-TriScope系统，在双束扫描电镜真空腔室内集成了光学成像系统，避免了样品传输过程，有效提高了冷冻光电关联成像的精度和成功率。其中生物成像中心技术团队自主研发ELI-TriScope系统集成了一个基于冷冻样品杆的传输系统（cryo-transfer system），并在冷冻样品下方嵌入了一个倒置荧光成像系统（cryo-STAR system），从而实现电子束(E)、光束(L)和离子束(I)被精确地聚焦到同一点上，可以在cryo-FIB减薄的同时实时监控目标分子的荧光信号，显著提高了cryo-FIB减薄技术对特定目标物的捕获精度，将制备冷冻含水切片的时间成本从每片2-2.5小时降低到约0.8小时。 　　生物成像中心技术团队研发的基于结构光照明技术的HOPE-SIM系统可以实现三维高分辨率冷冻荧光成像，同时还可以通过冷冻样品杆直接衔接三束共焦光电关联成像系统ELI-TriScope，实现高分辨三维冷冻荧光成像的同时，完成后续原位荧光实时监控聚焦离子束减薄全技术流程，有效提高了冷冻聚焦离子束减薄的效率、准确性、成功率和样品制备通量，为原位结构解析研究提供了成功的解决方案，在未来的原位结构生物学中有巨大应用潜力。

作为强大的结构解析工具，冷冻电镜在解析蛋白质结构中具有超强能力。RNA作为另外一种生物大分子，在生命活动中发挥着与蛋白质同等关键的作用，解析它们的三维结构也是科学家们持久探索的问题。但RNA由于分子量小，柔性大等因素，无论是依靠冷冻电镜还是其他结构解析手段，这一目的在往日很难实现。近日，哈佛大学廖茂富博士和尹鹏博士合作，利用ROCK技术改造RNA，赋能冷冻电镜技术，解析了多种RNA的高分辨结构，进一步扩展了冷冻电镜技术的应用场景，也为揭示RNA参与的生命活动，以及围绕RNA的药物开发，打开了全新局面。作为遗传分子DNA的姊妹，RNA支持着我们生活的世界。进化生物学家曾提出假设，认为在DNA和它所编码的蛋白质出现之前，RNA就已经存在并具有自我复制功能。而现代科学发现，只有不到3%的人类基因组被转录成信使RNA(mRNA)分子，并在后续被翻译成蛋白质。相比之下，82%的基因组被转录成具有其他未知功能的RNA分子。为了了解单个RNA分子的功能，在原子和分子键的层面上对其三维结构进行解析是极其必要的。通过对DNA和蛋白质分子进行结晶处理，研究人员已经可以通过X射线晶体学方法或核磁共振方法进行常规的结构研究。然而，由于RNA的分子构成和结构柔性特点，它们往往难以结晶，因此这些需要结晶的方法并不适用于解析RNA分子的结构。 近日，哈佛大学韦斯生物启发工程研究所(Wyss)的尹鹏博士和哈佛大学医学院(HMS)的廖茂富博士合作完成了一项研究，报告了一种对RNA分子进行结构研究的新技术"ROCK"。该技术可以将多个相同的RNA分子组装成一个高度组织化的结构，大大降低单个RNA分子的灵活性，并使其分子量成倍增加。应用于具有不同大小和功能的知名模型RNA作为基准，该团队表明ROCK技术能够将冷冻电镜 (cryo-EM) 方法应用在包含RNA亚基的生物大分子的结构解析上。他们的研究结果发表在《自然-方法》上。 与廖茂富博士一起领导这项研究的尹鹏博士说:「ROCK技术正在打破目前针对RNA进行结构研究的限制，使RNA分子的近原子级分辨率结构得以揭示，这一过程往往难以甚至无法用传统的方法实现。我们期望这一进展能为基础研究和药物开发的许多领域注入活力，包括正在蓬勃发展的RNA疗法。」获得对RNA的控制权 尹鹏博士的研究团队开发了多种方法，包括DNA砖块和DNA折纸术，这些方法使DNA和RNA分子能够根据不同的规则和需求进行自我组装，从而形成超大分子。他们假设，这种策略也能够将自然存在的RNA分子组装成高度有序的环形复合物，通过将特定分子连接在一起的方式，对柔性进行限制。许多RNA以复杂但可预测的方式折叠，在小片段之间进行碱基配对交互。其结果往往会将稳定的 "核心 "和 "茎环 "向圆环外侧凸出。 在ROCK技术(通过吻式发夹实现RNA寡聚化后冷冻电镜结构解析)中，目的RNA被设计成通过吻式发夹序列(红色)自组装成一个封闭的同源环，这些序列定位在在功能非必要的外周螺旋上(蓝色)。在确定了可编辑的非必要外周螺旋后，连接吻式发夹模体和目的RNA核心的螺旋的长度被计算优化。带有目的RNA的多个单独亚基的RNA构建体被转录、组装，通过凝胶电泳纯化，并通过冷冻电镜进行结构解析。 「在我们的方法中，我们构建了吻式发夹，可以将同一RNA两个拷贝的不同外围茎环连接起来，使之形成一个整体稳定的环，其中包含了目的RNA的多个拷贝。我们推测，这些高阶环可以通过冷冻电镜进行高分辨率结构解析，该技术已首次成功应用于RNA分子的结构解析。」 —刘迪，第一作者 描绘稳定的RNA 在冷冻电镜方法中，许多生物大分子的单一颗粒在低温下被瞬间冻结，以阻止它们的运动。随后，在电子显微镜和计算算法的帮助下，对颗粒各个方向的二维表面投影进行比较，以重建其三维结构，实现生物大分子的可视化。彭和刘与廖和他的前研究生弗朗索瓦塞洛(François Thélot)博士合作进行了该工作，后者是该研究的另一位第一作者。廖和他的团队在冷冻电镜领域、以及对特定蛋白质形成的单颗粒的实验和计算分析中做出了重要贡献。 廖茂富说:「与传统方法相比，冷冻电镜在解析包括蛋白质、DNA和RNA在内的生物分子的高分辨率结构细节方面有很大的优势，但是大多数RNA的小分子量和高柔性使其结构难以解析。我们组装RNA多聚体的新方法同时解决了这两个问题，通过增加RNA的分子量，并降低其柔性，我们的方法为基于冷冻电镜方法解析RNA结构这一领域打开了大门。」由于整合了RNA纳米技术和冷冻电镜方法，该团队将这一复合技术命名为"ROCK" (RNA oligomerization-enabled cryo-EM via installing kissing loops, 通过吻式发夹实现RNA寡聚化后冷冻电镜结构解析)。 为了证实ROCK技术的可行性，该团队将研究聚焦于四膜虫(一种单细胞生物)的大内含子RNA和固氮弧菌(一种固氮细菌)的小内含子RNA，以及FMN核糖开关。内含子RNA是散布在新转录RNA序列中的非编码RNA序列，必须被 "剪接"出来才能形成成熟RNA。FMN核糖开关存在于一些细菌RNA中，这些细菌会参与由维生素B2衍生的黄素代谢物的生物合成。在与RNA结合后，黄素单核苷酸(FMN)将切换其三维构象，并抑制其母RNA的合成。 在对四膜虫 I 组内含子的结构解析过程中，研究人员收集了约十万张ROCK技术处理的单颗粒冷冻电镜图像，通过一系列计算分析步骤重建了其结构，整体分辨率达到了2.98Å，结构核心的分辨率达到了2.85Å。最终的模型提供了四膜虫 I 组内含子的详细视图，包括之前未知的外围结构域(以土黄色和紫色显示)，它们构成了围绕核心的条带。 研究小组称，他们将四膜虫 I 组内含子组装成一个环状结构，使样品更加均匀，并能够利用组装结构的对称性来进行计算。虽然数据采集两的规模并不大，但ROCK技术的优势使研究小组能够以前所未有的分辨率解析该结构。RNA的核心结构以2.85Å的分辨率解析，揭示了核苷酸碱基和糖骨架结构的详细特征。研究小组还称如果没有ROCK技术加持，在当前的资源条件下，他们不可能做到这一点。 冷冻电镜还能够捕捉不同构象的分子。研究小组通过将ROCK方法应用于固氮弧菌内含子RNA和FMN核糖开关结构解析中，确定了固氮弧菌内含子在其自我剪切过程中的不同构象，揭示了FMN核糖开关配体结合部位的相对刚性的构象。 这项研究生动演示了RNA纳米技术如何推动着其他学科的发展。将天然状态的RNA分子结构进行可视化，对理解不同细胞类型、组织和生物体的生物及病理过程产生巨大的影响，甚至能够实现新的药物开发方法。 相关文献摘要高分辨率的结构研究对于理解各种RNA的折叠和功能至关重要。在此，我们提出了一种纳米结构工程策略，利用单颗粒冷冻电镜(cryo-EM)对纯RNA结构进行高效的结构测定。即ROCK技术(通过安装吻式发夹实现RNA寡聚化的冷冻电镜技术): 将吻式发夹序列安装到RNA的非必要功能茎上，使其自组装成具有多倍分子量和降低结构柔性的同源封闭环。ROCK技术能够以2.98 Å的整体分辨率(核心部分为2.85 Å)对四膜虫 I 组内含子进行冷冻电镜三维重构，以建立完整的RNA模型，包括以前未知的外围域。ROCK技术被进一步地应用于两个较小的RNA: 固氮弧菌 I 组内含子和FMN核糖开关，揭示了前者的构象变化和后者的结合配体。ROCK技术有望大大促进冷冻电镜在RNA结构研究中的应用。评论来源：Science Dailyhttps://www.news-medical.net/news/20220503/New-method-enables-the-structural-analysis-of-RNA-molecules.aspx文献来源：Nature Methodshttps://www.nature.com/articles/s41592-022-01455-w#citeas水木未来视界丨iss. 18

4月25日，Science杂志以长幅研究论文(Research Article)形式发表了中科院生物物理所朱平研究组和李国红研究组合作利用冷冻电镜三维重构技术解析的30nm染色质左手双螺旋高清晰三维结构这一重要研究成果。 　　在这项研究当中，朱平研究员长期从事冷冻电镜三维重构应用研究，李国红研究员长期从事30nm染色质及表观遗传调控研究，他们二人通过多年的紧密合作，发挥各自专长和优势，在国际上率先解析了30nm染色质的高清晰三维结构，使我国在相关领域的研究处于世界前列。 　　日前，仪器信息网编辑特别采访了从事冷冻电镜(注：下文提到的冷冻电镜特指300kV和200kV场发射冷冻透射电子显微镜)应用研究的朱平研究员，请他为我们介绍了自己与冷冻电镜结缘的故事，以及冷冻电镜的特点和应用情况，希望使广大网友能对冷冻电镜有更多的了解。 中国科学院生物物理所朱平研究员 　　因对三维重构技术的喜爱，与冷冻电镜结缘 　　Instrument：朱老师，您好!首先请您为我们介绍一下您和冷冻电镜结缘的故事。 　　朱平：其实我并不是生物专业出身，我的本科是在浙江大学学习金属材料热处理，1990年毕业后，我被保送到西安交通大学断裂疲劳国家重点实验室读硕士研究生，博士研究生期间又到清华大学机械系开始学习焊接专业，研究焊接接头断口分析，当时有一个很热门的研究方向是断裂表面的分形研究，断裂表面的分形维数和断裂性能被认为是密切相关的。开始我们只是做断口轮廓线的分形研究，但发现由于断裂表面不是各向同性的，不同的方向可能会对应不同的分形维数，所以我们就尝试利用扫描电镜立体对照相方法将断裂表面三维形貌重构出来，来研究断裂面的二维分形维数。 　　博士毕业后我在清华做了一年讲师，由于对电镜三维重构比较感兴趣，我就据此联系国外的进一步研究机会。恰好这时美国佛罗里达州立大学一个研究艾滋病毒结构的实验室需要做电镜三维重构的人员，于是我就将在材料研究中积累的关于电镜和三维重构的知识转到了对生物样品的研究，从而有机会开始接触冷冻电镜。 　　Instrument：到美国佛罗里达州立大学后，您主要开展了哪些方面的研究工作? 　　朱平：当时，我所在的实验室是比较早开始艾滋病毒表面包膜蛋白结构重构研究的单位。开始我们只是想通过电镜技术来研究艾滋病毒表面很重要的一个包膜蛋白gp120的结构。后来，研究者发现虽然不同的艾滋病毒抗体具有毒株特异性，但有几种抗体它们对于多种艾滋病毒都有中和活性，所以我们也开始研究这些广谱中和抗体的结构特点。 　　在最初的研究中，我们主要利用普通电镜，通过负染色方法研究表达纯化出来的艾滋病毒表面包膜蛋白gp120以及它们与不同的中和抗体形成的复合物的结构。后来我们的研究发现这些包膜蛋白在真实病毒表面的三维结构及分布对艾滋病毒的感染非常重要，所以就转向研究整个艾滋病毒颗粒及表面蛋白的三维结构。我们是最早将电子断层成像方法应用于艾滋病毒三维结构重构的研究组，并利用负染色电子断层成像方法获得了艾滋病毒表面的包膜蛋白的一个高清晰三聚体结构和分布图，发在美国科学院院刊上。由于负染色法对病毒结构影响很大，虽然观察到了艾滋病毒表面的gp120蛋白的结构为三聚体，但同时结构信息损失也很多。所以之后我们逐渐开始采用冷冻电镜电子断层成像法来开展研究，并做出了一个艾滋病毒冷冻电镜三维重构图像，于2006年在Nature上发表了一篇文章，也产生了较大影响。 　　Instrument：2008年您以&ldquo 百人计划&rdquo 身份加入到生物物理所生物大分子国家重点实验室，请问促使您回国发展以及加入生物物理所的原因主要有哪些?　　朱平：在美国待了几年后，我也有了回国工作的念头，于是就开始和国内的相关研究单位联系。结构生物学研究是生物物理所的传统优势研究学科，所里也非常看好冷冻电镜在结构生物学研究方面的发展前景，已经在采购相应的设备，可以说这里有一个非常好的平台。 　　回国后，我们依然做一些艾滋病毒及疫苗的研究工作，同时也开展一些其他病毒的研究，如高对称性病毒的高分辨结构解析等。 　　另外，回国后我参加了以&ldquo 千人计划&rdquo 身份回国的许瑞明老师主持的科技部的一个&ldquo 973&rdquo 项目，其中我负责的一个课题就是利用冷冻电镜研究染色质的结构。后来，李国红老师回国，我们一起开始做染色质的冷冻电镜三维重构研究。 　　冷冻电镜是结构生物学研究的重要手段，但入门和上手都有一定难度 　　Instrument：请问和普通电镜技术相比，冷冻电镜在生物研究当中有哪些特点和优势? 　　朱平：普通电镜主要用于观察样品形貌，要看到原子分辨率的细节很难做到 另外制样方法如染色、固定等对样品的结构破坏很严重。而冷冻电镜可以将样品瞬间冻成玻璃态，冷冻速度平均可达以几万摄氏度每秒，这样样品所有的结构细节则都被保留下来。但是由于没有经过染色，直接观察样品的衬度就会差很多，所以需要三维重构来慢慢挖掘它的结构信息。 　　另外，结构生物学研究当中最常用的方法蛋白质晶体学的一个很大的瓶颈就是样品结晶，如将蛋白质产生结晶，需要各种各样的条件 此外在生物体中蛋白质往往不是单独起作用，而是多个蛋白质结合到一起的超大分子复合体，这样的超大分子复合物要长晶体就更难。但冷冻电镜不需要长晶体，直接将样品冰冻即可进行分析。 300kV Titan Krios场发射冷冻透射电子显微镜 　　Instrument：目前，国际上冷冻电镜研究的热点主要集中在哪些方面? 　　朱平：这两年冷冻电镜的应用主要集中在结构生物学研究，分析的样品类型从病毒、核糖体扩展到了其它蛋白。冷冻电镜三维重构早期比较多的应用是病毒分析，因为病毒结构比较对称，可以得到比较高的分辨率。近年来，随着仪器硬件及软件性能的提升，冷冻电镜结构解析的分辨率越来越高，现在我们可以做到近原子级别的分辨率。对于一些不对称的样品也能获得比较高的分辨率，所以冷冻电镜三维重构在其它蛋白质的结构分析研究上也比较热。 　　Instrument：冷冻电镜技术应用的难点有哪些?要让冷冻电镜更好的在科学研究当中发挥作用，需要哪些积累? 　　朱平：冷冻电镜的操作程序比较多，入门和上手都有一定的难度。先从制样来说，单冷冻这一步，就有许多的玄机在其中。冻的冰层太厚，电子束穿不过去，冰层太薄又会被完全蒸发 而冷冻的速度如果慢了就会形成冰晶，冰晶遇到电子束发生衍射，我们就无法观察到样品 此外，环境的变化，如空气的温度和湿度变化，甚至每次使用的滤纸如果不同都会对制样效果有影响。 　　在照片的拍摄中，要调节好电镜的状态，掌握照相的细节，这样才能拿出一张好的二维冷冻电镜照片。如，电子束照射在样品表面时，如果调节不好很可能就把样品轰坏了。所以需要调焦，找准位置，然后慢慢放大。得到好的二维照片后，接着还有一大堆的图像处理工作。 　　当然现在软件自动化程度更高了，仪器的操作也比以前容易了。比如制样，有专门的制样设备，通过计算机控制温度、湿度、滤纸吸收的时间长短，使制样的可重复性高了很多。不过要使用好电镜，还是有许多的经验在其中。北京大学丁明孝老师正在组织国内优秀的专家撰写一部电镜实验操作手册，虽然这本书以普通电镜为主，但其中至少会有一章来介绍冷冻电镜的基本情况，以及如何使用好冷冻电镜，希望更多的人了解这一技术。 　　Instrument：请问目前我国冷冻电镜的研究和应用水平怎么样? 　　朱平：近年来，为推动我国生物学快速发展，国家不断加大投资力度。一方面引进了不少人才，另外在仪器配置方面，我国不少单位已经或将要建设国际一流的冷冻电镜设备平台，如清华大学、生物物理所、北京大学、上海生命科学研究院等。 　　其实十几年前，我们就有很多优秀的电镜人才，只是国家没有这么大的投入。就是在&ldquo 小米加步枪&rdquo 的条件下，他们也做的非常好。现在我们的高端电镜配置已在世界前列，但人才依然是最重要的，目前国内在冷冻电镜研究方面确实也没有那么多的人才，希望有更多的年轻人被培养出来。 　　科学的竞争也很残酷，团队合作才能走得更快更远 　　Instrument：最后，请问对于在高水平期刊上发表文章，您有哪些心得体会，以及团队合作在科学研究当中的重要性。 　　朱平：一是要有好的项目，好的科学问题 二要有好的设备 三要有好的团队 最后还要坚持。首先要敢于挑战科学难题，另外也要敢于面对挑战中的困难，要耐得住性子去做，要有长时间做不出来的准备。我们这个项目，前后花了5年时间，期间遇到了很多的困难。 　　在30nm染色质结构解析研究中，不同的研究组分工合作，发挥各自的特长也是我们这个项目的重要特点。在我们的研究当中，染色质样品的组装非常重要，我们需要均一的样品，否则电镜状态再好，再会调节操作和计算处理，也无法获取样品真正的结构信息。 　　我对组装染色质样品没有太多的经验，而李国红老师长期从事30nm染色质及表观遗传调控方面的研究，但冷冻电镜三维重构也需要一个较为长期的积累和经验，面对30nm染色质这么一个复杂的超大分子复合体，其结构解析有很多技术上的困难和挑战，若要让李老师重头来学电镜也不是很容易的事。还有许瑞明老师参加了我们很多的项目讨论，给了我们很多的鼓励，这也很重要。 　　科学的竞争也很残酷，我们知道世界上还有其他的团队也在做同样的研究，而我们能够先做出来，一个重要的因素就是我们是几个团队一起在做。 采访编辑：秦丽娟 　　附录：朱平研究员个人简历 　　1986.9-1990.6 浙江大学 学士 　　1990.9-1993.6 西安交通大学 硕士 　　1993.9-1997.6 清华大学 博士 　　1997.7-1998.12清华大学 讲师 　　1999.3-2008.5 美国佛罗里达州立大学生物系 博士后、助理研究员、副研究员(Non tenure-track faculty系列) 　　2008.6-至今　 中国科学院生物物理研究所课题组长、&ldquo 百人计划&rdquo 研究员

p 　　8月21日，清华大学生命科学学院施一公教授研究组在国际顶级期刊《科学》(Science)同时在线发表了两篇背靠背研究长文，题目分别为“3.6埃的酵母剪接体结构”(Structure of a Yeast Spliceosome at 3.6 Angstrom Resolution)和“前体信使RNA剪接的结构基础”(Structural Basis of Pre-mRNA Splicing)。第一篇文章报道了通过单颗粒冷冻电子显微技术(冷冻 a href=" http://www.instrument.com.cn/zc/1139.html" target=" _blank" title=" " style=" color: rgb(0, 112, 192) text-decoration: underline " span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 电镜 /span /a )解析的酵母剪接体近原子分辨率的三维结构，第二篇文章在此结构的基础上进行了详细分析，阐述了剪接体对前体信使RNA执行剪接的基本工作机理。清华大学生命学院闫创业博士、医学院博士研究生杭婧和万蕊雪为两篇文章的共同第一作者。 /p p br/ /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201512/noimg/b202201c-2ed2-4d9c-a084-73f2641f7e4b.jpg" title=" 基因剪接的分子机制示意图。.jpg" / /p p style=" text-align: center " 剪接体复合物的三维结构。 /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201512/noimg/b44dc927-7a91-4726-88a1-355193597e07.jpg" title=" 剪接体复合物的三维结构。.jpg" / br/ /p p style=" text-align: center " 基因剪接的分子机制示意图。 /p p 　　这一研究成果具有极为重大的意义。自上世纪70年代后期RNA剪接的发现以来，科学家们一直在步履维艰地探索其中的分子奥秘，期待早日揭示这个复杂过程的分子机理。施一公院士研究组对剪接体近原子分辨率结构的解析，不仅初步解答了这一基础生命科学领域长期以来备受关注的核心问题，又为进一步揭示与剪接体相关疾病的发病机理提供了结构基础和理论指导。 /p p 　　附论文链接： /p p 　　 a href=" http://m.sciencemag.org/content/early/2015/08/19/science.aac7629" _src=" http://m.sciencemag.org/content/early/2015/08/19/science.aac7629" http://m.sciencemag.org/content/early/2015/08/19/science.aac7629 /a /p p 　　 a href=" http://m.sciencemag.org/content/early/2015/08/19/science.aac8159" _src=" http://m.sciencemag.org/content/early/2015/08/19/science.aac8159" http://m.sciencemag.org/content/early/2015/08/19/science.aac8159 /a /p p & nbsp & nbsp 相关新闻： /p p 　　 a href=" http://www.instrument.com.cn/news/20150821/170416.shtml" target=" _blank" title=" " 冷冻电镜助力施一公发表诺奖级别研究成果 /a & nbsp & nbsp /p

核糖体是一种广泛存在于细胞中的分子机器。所有生物，包括微小的细菌直至人类个体，都依赖核糖体对各种各样的蛋白质进行生物合成。作为一个分子量巨大的复合物，核糖体本身是如何在细胞中由多条RNA链及超过70种蛋白分子装配而成?这一问题已困扰相关领域科学家近30年。　　核糖体自身是一个由核糖核酸(RNA)和蛋白质组成的超大复合物(半径20纳米)，其三维结构和分子机制的研究一直是生命科学基础研究中的重要方向。2009年的诺贝尔化学奖即授予了首次解析出细菌核糖体原子分辨率的三位结构生物学家。　　真核细胞核糖体装配过程是个高度复杂的动态过程，有超过300种不同功能的辅助装配因子(蛋白质或者RNA)参与其中。然而绝大多数装配因子的结构及其行使功能的分子机理完全未知。此外，核糖体的组装与细胞的生长调控通路密切相关，某些装配因子的遗传突变会导致核糖体生物生成的失调，引起一系列的人类遗传性疾病(称为ribosomopathies)。某些特定的装配因子(例如eIF6)不正常表达也在多种人类癌症细胞中被发现。因此，针对核糖体装配过程的研究不仅具有重要的科学意义，还具有潜在的临床应用潜力。　　图1酵母核糖体大亚基组装中间体的3.08埃冷冻电镜结构。a，3.08 埃冷冻电镜密度图，核糖体蛋白颜色为米色，核糖体RNA颜色为灰色。b，19个装配因子的原子模型。　　清华大学生命科学学院高宁研究组自2009年一直致力于研究各种生物的核糖体装配过程。2013年，高宁研究组和美国卡内基梅隆大学的约翰伍尔福德(John L. Woolford Jr)教授研究组携手合作，利用清华大学的高端冷冻电镜平台，以真核生物酵母菌为材料，开展真核核糖体的装配研究工作。2015年，合作研究获得重大突破，课题组得到了酵母细胞核内的一系列组成上和结构上不同的核糖体60S亚基前体复合物的冷冻电镜结构。其中一种状态的三维结构分辨率达到3.08埃，其核心部分的分辨率可达2.8埃，是国际在核糖体组装研究领域迄今为止分辨率最高的结构。基于这一冷冻电镜结构，课题组确定了超过20种不同装配因子在核糖体60S前体上的结合位置，并获得了19种装配因子的原子模型。课题组所提供的丰富结构信息为详细阐释真核核糖体装配过程中的多种装配因子功能和分子机制提供了重要基础。　　2016年5月25日，报道这一重大突破的研究论文在线发表于《自然》(Nature)期刊，题目为《细胞核内的核糖体组装前体结构揭示了装配熟因子的功能多样性》(Diverse roles of assembly factors revealed by structures of late nuclear pre-60S particles)。高宁研究员和卡内基梅隆大学约翰伍尔福德(John L. Woolford Jr)教授为论文共同通讯作者，清华大学生命学院2013级博士生吴姗为第一作者。北京生命科学研究所董梦秋教授及谭丹博士提供了化学偶联交联质谱数据。论文中冷冻电镜数据收集和处理工作获得了国家蛋白质科学(北京)设施清华大学冷冻电镜平台及高性能计算平台支持。课题组得到了中国科技部、国家自然科学基金委、清华大学自主科研、北京高精尖结构生物学中心的经费支持。　　论文链接

近日，《Science》杂志以封面专题的形式发表了 5 篇论文，共同展现了通过 AI 技术来揭示人类和非洲爪蟾的核孔复合体（NPC）结构。开始正文之前，我们先来看一张图片，在下图中，很明显可以看出，图的右半部分所代表的信息更加丰富，结构也更清晰。而左半部分 2016 年的图，则结构较为单一，代表的信息比较少：其实上面展示的是核孔复合体（NPC）图像。核孔复合体，由约 1000 个蛋白质亚基组成，担负着真核生物细胞核与细胞质之间繁忙的运输大分子的任务，也是其连接胞质和细胞核的唯一双向通道。除了协调运输外，NPC 还组织必要的转录、mRNA 成熟、剪接体和核糖体组装等重要生命活动。NPC 强大的作用，已然成为疾病突变和宿主 - 病原体相互作用的关键点。得益于低分辨率下全核孔结构以及高分辨率下核孔组成结构技术的发展，细胞核孔受到越来越多的关注。然而，利用这些信息正确组装 30 多种不同蛋白质副本，并构建高分辨率的三维结构，一直是一项艰巨的挑战。近日，《Science》杂志以封面专题形式发表了 5 篇论文，其中 3 篇论文共同揭开了人类核孔复合体的近原子分辨率冷冻电镜结构，另外两项研究通过非洲爪蟾呈现了脊椎动物核孔复合体的单颗粒冷冻电镜图像。这篇封面文章将多项研究成果拼接在一起，形成的人类 NPC 图像接近原子级。论文地址：https://www.science.org/doi/pdf/10.1126/science.add2210这一研究成果建立在多项研究之上，包括数十年的生物化学重建、X 射线晶体学、质谱学、诱变和细胞生物学等。使用大幅度改进的冷冻电子断层扫描重建人类 NPC，并用人工智能技术精确建模组件。还有其他研究提高了单粒子冷冻电镜的分辨率，使脊椎动物 NPC 的二级结构元素和残基水平细节的可视化成为可能。分子组合丰富了我们对脊椎动物和人类 NPC 构建的理解——从旧的核支架到将各个部分连接在一起的连接蛋白，以及从核膜锚定到中央运输通道上方的细胞质丝。这里报告的研究成果，代表了实验结构生物学与人工智能的合作共赢，是人类探索生物微观世界的又一次胜利。另外，也证明了正在进行的分辨率革命，在我们寻求了解大分子组件的构造和设计原理方面，具有不可替代地作用。下图为 2022 年人类核孔复合体的横截面视图，新解析的成分包括对称核心（橙色）和细胞质细丝（黄色）：五篇研究论文论文 1：《Architecture of the cytoplasmic face of the nuclear pore》论文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm9129核孔复合体（NPC）是核质转运的唯一双向通道。尽管最近在阐明 NPC 对称核心结构方面取得了一些进展，但对于 mRNA 输出和核孔蛋白相关疾病的热点来说，不对称分布的细胞质表面仍然难以捉摸。加州理工学院等机构的研究者报告了通过结合生化重建、晶体结构测定、冷冻电子断层扫描重建和生理验证而获得的人类细胞质面的复合结构。虽然物种特异性基序在中央转运通道上方锚定了一个进化上保守、约 540 千道尔顿（kilodalton）异六聚体细胞质细丝核孔蛋白复合体，但 NUP358 五聚体束的附着取决于外套核孔蛋白复合体的双环排列。他们揭示的复合结构及其预测能力为阐明 mRNA 输出和核孔蛋白疾病的分子基提供了丰富的基础。人类 NPC 的细胞质面论文 2：《Architecture of the linker-scaffold in the nuclear pore》论文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm9798尽管人们已经可以确定 NPC 对称核心中结构化支架核孔蛋白的排列，但它们通过多价非结构化接头核孔蛋白的内聚性仍然难以捉摸。通过结合生化重建、高分辨率结构测定、冷冻电子断层扫描重建和生理验证，加州理工学院的研究者阐明了进化上保守的接头支架结构，产生了人类 NPC 的约 64 兆道尔顿（megadalton）对称的近原子复合结构核。虽然接头通常起刚性作用，但 NPC 的接头支架为其中央转运通道的可逆收缩和扩张以及横向通道的出现提供了必要的可塑性和稳健性。他们的结果大大推进了 NPC 对称核心的结构表征，为未来的功能研究打下了基础。人类 NPC 对称核心的接头支架结构。论文 3：《AI-based structure prediction empowers integrative structural analysis of human nuclear pores》论文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm9506虽然核孔复合体（NPC）介导核质转运，它们错综复杂的 120 兆道尔顿架构仍未完全得到了解。马克斯 普朗克生物物理研究所等机构的研究者报告了具有显式膜和多构象状态的人类 NPC 支架的 70 兆道尔顿模型。他们将基于 AI 的结构预测与原位和细胞冷冻电子断层扫描、综合建模相结合。结果表明，接头核孔蛋白在亚复合体内和亚复合体之间组织支架，以建立高阶结构。微秒长的分子动力学模拟表明，支架不需要稳定内外核膜融合，而是扩大中心孔。他们举例阐释了如何将基于 AI 的建模与原位结构生物学相结合，以了解跨空间组织级别的亚细胞结构。人类 NPC 支架架构的 70 兆道尔顿模型。论文 4：《Structure of the cytoplasmic ring of the Xenopus laevis nuclear pore complex》论文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl8280西湖大学和清华大学以 3.7-4.7 埃（angstrom）的分辨率对非洲爪蟾 NPC 的细胞质环亚基进行单粒子冷冻电子显微镜重建。其中，Nup358 的氨基末端域的结构被解析为 3.0 埃，这有助于识别每个细胞质环亚基中的五个 Nup358 分子。研究者最终的细胞质环亚基模型包括五个 Nup358、两个 Nup205 和两个 Nup93 分子，以及两个先前表征的 Y 复合体。Nup160 的羧基末端片段充当每个 Y 复合体顶点的组织中心。结构分析揭示了 Nup93、Nup205 和 Nup358 如何促进和加强主要由两层 Y 复合体形成的细胞质环支架的组装。非洲爪蟾 NPC 双层细胞质环的 Cryo-EM 结构。论文 5：《Structure of cytoplasmic ring of nuclear pore complex by integrative cryo-EM and AlphaFold》论文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm9326哈佛医学院等机构的研究者使用单粒子冷冻电子显微镜和 AlphaFold 预测，从非洲爪蟾卵母细胞中确定了近乎完整的 NPC 细胞质环结构。具体地，他们使用 AlphaFold 预测核孔蛋白的结构，并使用突出的二级结构密度作为指导来适应中等分辨率的地图。此外，某些分子相互作用通过使用 AlphaFold 的复杂预测进一步得到建立或确认。研究者确定了五份 Nup358 的结合模式，它是最大的 NPC 亚基，具有用于转运的 Phe-Gly 重复序列。他们预测 Nup358 包含一个卷曲螺旋结构域，可以提供活性以帮助它在一定条件下作为 NPC 形成的成核中心。非洲爪蟾 NPC 细胞质环的 Cryo-EM 结构。

冻干产品在制药和生物制药行业越来越受重视。越来越多的制药公司利用冷冻干燥技术和生产工艺生产最终的药品，这种药品保质期长、稳定性强，减少了对运输和储存的限制。最近有报道称，现在40%以上的制药行业的研发和收入涉及生物制药。接近60%的生物制药（如酶、蛋白质和单克隆抗体）需要冻干以制成稳定的可以随时食用的剂型。麦克仪器TriStar® II全自动比表面积分析仪、AutoPore® IV全自动压汞仪、AccuPyc® II 1340全自动真密度/开闭孔率分析仪是确定生物制药冻干滤饼完整性的必要工具。 冻干滤饼的结构，包括密度、总孔体积、孔径大小和表面积在生产过程中需要进行严格控制。在生产过程中的任何变化，如冻结温度、初级干燥温度或次级干燥温度都会影响冻干滤饼的物理和化学性质。三个被推荐或公布的最常测试的参数为外观、热性质和表面积。BET比表面积测量、压汞法和气体密度法为测量冻干产品提供了可见的、量化的解决方案。 通过气体吸附分析技术得到的BET表面积可用于确定优化产品性能和生产工艺的收缩率、塌陷和冷冻/干燥速率这些指标。冻干滤饼的内部结构可评估初级或者次级干燥过程中冻结速度、搁板温度或者压力设置等工艺条件。据文献显示，以蛋白质为基础的药品的物理化学活性和长期的稳定性与冰晶结构以及他们对表面积的影响有关。比表面积数据通过呈现固相的形态提供了滤饼结构和重组的重要信息。 压汞法可提供滤饼的内部结构信息。总孔体积和孔径分布与滤饼完整性和重组特性直接相关。孔径与表面积数据的相关性可以量化冷冻干燥过程中滤饼的收缩量，并确定最终干燥滤饼的孔隙大小。 TriStar II是基于成熟的静态气体吸附技术。这是一个完全自动化的三站分析仪，能够提高质量控制分析速度和效率，同时具有高精度、高分辨率和可进行数据处理的特点，满足大部分生产和研发需求。TriStar II可提供BET比表面数据，帮助预测冷冻干燥变化的影响以及加强过程控制措施，以防止滤饼塌陷。 麦克仪器AutoPore IV压汞仪利用汞浸入法来测定总孔体积、孔径分布、孔隙率、密度和密实度/压缩率。该仪器可收集极高分辨率的数据。它可以配备两个低压站和一个高压站或四个低压站和两个高压站以提高样品测试量。 AccuPyc II是一种高速、高精度的气体置换密度分析仪，可用于粉末、固体、泥浆的体积和密度测量。氦气测密度是测量真密度最可靠的技术之一。

核糖体是由RNA和大量蛋白质构成的大型分子机器，负责地球上所有生物的蛋白质合成。在真核生物中，核糖体组装是个非常复杂的过程。核糖体在成熟过程中需要和大量的组装因子暂时结合，形成了一系列核糖体前体复合物。小亚基核糖体在组装过程中形成两个主要的中间体：早期的90S和晚期的pre-40S前体。90S前体是个巨大的复合物，除了含有核糖体RNA和蛋白质组分，还含有约50个非核糖体蛋白质和U3 snoRNA，分子量高达5百万道尔顿。　　中国科学院生物物理研究所叶克穷实验室利用冷冻电镜和单颗粒重构技术获得了出芽酵母90S核糖体前体的3个电子密度图，其中最好的密度图的整体分辨率达到4.5埃。研究人员利用已知的晶体结构、从头建模和化学交联质谱数据构建了接近完整的90S结构模型。　　90S的结构显示新生核糖体小亚基折叠形成多个分离的亚结构，并和大量组装因子结合。核糖体前体RNA的5' 间隔区域、U3 snoRNA和大量组装因子形成巨大的基座，支撑新生核糖体的结构。结构还揭示了U3 snoRNA和核糖体前体RNA结合的新颖方式。该结构对理解核糖体小亚基的早期组装原理和组装因子的功能具有里程碑的意义。　　报道该工作的论文Molecular architecture of the 90S small subunit pre-ribosome 于2月28日在eLife 杂志在线发表。　　叶克穷是该论文的通信作者，孙奇、朱星、奇佳和安卫东是共同第一作者。合作者董梦秋和谭丹以及叶克穷课题组多位研究人员对该研究也有重要的贡献。中科院生物成像中心为该研究提供关键的冷冻电镜研究设备和技术支持。该研究得到了国家自然科学基金委、中科院战略性先导科技专项(B类)、科技部和北京市政府的资助。　　文章链接 90S核糖体前体的冷冻电镜结构

p 　　Alpha-突触核蛋白(Alpha-synuclein)是路易小体(Lewy body)的主要成分，与帕金森病和其他神经退行性病变密切相关。日前，科学家们使用尖端技术MicroED(micro-electron diffraction)解析了Alpha-突触核蛋白的毒性核心，获得了分辨率超高的晶体结构。程亦凡博士在九月九日的Nature杂志上发表文章，探讨了这一重大进展在结构生物学中的意义。 /p p 　　程亦凡博士是加州大学旧金山分校的副教授，他原本是物理学博士，后来改用物理学方法研究生物问题。 近来程博士在冷冻电镜方面陆续发表了多项重要成果，受到了广泛的关注。2015年，程亦凡博士成为了霍华德· 休斯医学研究所的研究员。 /p p 　　Alpha-突触核蛋白的毒性核心由11个残基组成，被称为NACore。NACore可以形成有序的三维晶体，但这种晶体实在太小，光学显微镜观察不到，也难以进行X射线衍射。于是研究人员采用了以冷冻电镜(cryo-EM)为基础的新技术，MicroED。 /p p 　　用冷冻电镜进行结构分析时，需要在液氮温度下瞬间冷冻蛋白质悬液，让蛋白质分子周围的水分保持类似液体的状态，然后再通过成像解析蛋白分子的三维结构。随着硬件设备和软件算法等方面的突破，不依赖结晶的冷冻电镜技术越来越受到结构生物家的重视。 /p p 　　MicroED主要通过电子衍射来确定微小晶体的3D结构。这种技术最初发表在2013年底的eLife杂志上，并被《Nature Methods》杂志评为2015年最值得关注的技术之一。令人惊叹的是，MicroED在这项研究中的分辨率高达1.4埃。 /p p 　　程亦凡博士指出，这是人们首次用MicroED确定未知的分子结构，而1.4埃是迄今为止冷冻电镜达到的最高分辨率。这项研究展示了MicroED在结构生物学领域的巨大应用潜力。不过MicroED也有自己的局限，比如晶体结构解析中的相位问题(phase problem)。此外，MicroED很可能对晶体大小也有限制，强散射会令大晶体难以被电子束穿过。尽管如此，MicroED为结构生物学家提供了一个前景广阔的新工具，可以弥补现有技术的不足。 /p p br/ /p

近日，Structure在线发表了中国科学院生物物理研究所章新政课题组完成的研究论文(Addressing Compressive Deformation of Proteins Embedded in Crystalline Ice)。该研究发现了晶态冰包埋的冷冻电镜样品会产生收缩形变，且形变随降温速率的增加而减少，并从晶态冰形成的降温速率出发发展了新型的无收缩形变的立方晶系晶态冰样品制备方法。 　　该工作发现结构无损的立方晶系晶态冰样品不仅消除了电子束诱导的快速漂移现象，而且显示出明显优于普通冷冻电镜玻璃态冰样品的数据质量，进一步为冷冻电镜实现原子分辨率奠定了基础。 　　大量实验数据证明，低降温速率制备的冷冻电镜样品有助于恢复数据采集时样品的束诱导漂移，但降温速率过低经常导致晶态冰的形成。传统认为晶态冰在生物样品冷冻过程中会对其结构造成破坏，故在冷冻电镜样品制备过程中一直避免使用。晶态冰的形成具体对蛋白质产生了什么破坏尚不清楚。 　　课题组系统性地将蛋白质在不同条件下包埋在晶态冰中，并通过冷冻电镜技术解析了晶态冰中的蛋白质三维结构。研究发现，在低降温速率形成的晶态冰中，蛋白质结构会产生收缩形变(图a)，且收缩量和蛋白质本身性质相关，越为刚性的蛋白质收缩量越小。另外，在一些蛋白质柔性区域，低降温速率晶态冰中的蛋白质存在密度畸变的问题(图a)。同时，二者随着晶态冰降温速率的增加显著变小，甚至无法探测(图b)。基于上述发现，研究发展了结构无损的立方晶系晶态冰样品的制备方法。通过该方法制备得到的晶态冰样品，其三维重构和玻璃态冰样品一致，不会对蛋白质结构造成可检测的破坏，且成像质量显著提高，不仅没有束诱导漂移(图c)，而且显著提高蛋白样品的分辨率。同样条件下，B-因子反映了样品的信噪比(图d)，人源去铁-铁蛋白晶态冰样品的B因子显著好于玻璃态冰样品。此外，在醛缩酶和谷氨酸脱氢酶上B因子也获得显著提升。 　　研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中科院战略性先导科技专项(B类)和中科院前沿科学重点研究计划的支持。冷冻电镜晶态冰样品性质。a、与玻璃态病毒样颗粒(VLP)样品(粉色)相比晶态冰样品(绿色)产生收缩形变，且严重形变时密度图出现断裂。b、提高降温速率，晶态冰样品的收缩形变减弱。c、在人源去铁-铁蛋白，醛缩酶和谷氨酸脱氢酶上，晶态冰样品恢复束诱导的快速漂移，前几帧样品分辨率明显恢复。d、B因子曲线斜率越大代表数据质量越好。与玻璃态冰样品(蓝色)相比，人源去铁-铁蛋白晶态冰样品(红色)有更好的B因子，展现出更高的数据质量。

p style=" text-indent: 2em text-align: left " strong span style=" text-indent: 2em " 仪器信息网讯 /span /strong span style=" text-indent: 2em " 据中新网深圳消息，1月29日上午，深圳市政府新闻办在深圳市政府新闻发布厅举行抗击疫情新闻发布会，深圳市卫生健康委员会主任罗乐宣表示， span style=" text-indent: 2em color: rgb(0, 112, 192) " strong 深圳市第三人民医院已与南科大冷冻电镜中心对接，病毒分离成功后立即开展病毒颗粒结构解析工作 /strong /span 。在临床研究方面，已启动现有抗艾滋病药物克力芝和法匹拉韦用于新型冠状病毒感染的肺炎的抗病毒治疗的临床研究。正在探讨抗SARS病毒治疗性抗体和多肽阻断新型冠状病毒感染的临床研究可行性。 /span /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 450px height: 249px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202002/uepic/c296b061-b8ad-493d-b154-28b7e5a3eb0a.jpg" title=" 现场.jpg" alt=" 现场.jpg" width=" 450" height=" 249" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " span style=" text-align: center text-indent: 0em color: rgb(0, 176, 240) " 深圳疫情防控工作新闻发布会现场 /span span style=" text-align: center text-indent: 0em " （朱族英 摄） /span /p p style=" text-indent: 2em " 据报道，深圳启动了“ span style=" color: rgb(0, 112, 192) " strong 新型冠状病毒感染应急防治 /strong /span ”专项，由深圳市疾控中心开展流行病学研究；深圳市第三人民医院开展临床诊疗标准及治疗性抗体研发；深圳湾实验室联合深圳市第三人民医院、深圳市疾控中心开展2019-nCoV新型冠状病毒分子作用机制、与其他冠状病毒的差异、进化与变异预测、诊断及治疗性抗体、应急疫苗和抑制剂等研究。同时，深圳市第三人民医院已与南科大冷冻电镜中心对接，病毒分离成功后立即开展病毒颗粒结构解析工作。 /p p style=" text-indent: 2em " 截至2020年2月3日11时，深圳累计报告新型冠状病毒感染的肺炎确诊病例226例，治愈出院5例，无死亡病例。 /p p style=" text-indent: 2em " strong 关于南方科技大学冷冻电镜中心 /strong /p script src=" https://p.bokecc.com/player?vid=E4B3B4618A761C179C33DC5901307461& siteid=D9180EE599D5BD46& autoStart=false& width=600& height=490& playerid=5B1BAFA93D12E3DE& playertype=2" type=" text/javascript" /script p style=" text-indent: 2em " 南方科技大学冷冻电镜中心是深圳市政府出资、南方科技大学牵头建设的重大基础科学设施公共平台，总建筑面积1256平方米，筹建于2017年6月，并于2018年11月在南方科技大学生物楼一楼揭牌成立并投入使用。该中心旨在支撑深圳市、粤港澳大湾区及中国南方在生物医药、精准医学、新能源新材料方面的科学研究及产业升级，并积极服务于国家战略需求，构建人类命运共同体和推进 “一带一路”发展。 /p script src=" https://p.bokecc.com/player?vid=1D3D94460B42E58A9C33DC5901307461& siteid=D9180EE599D5BD46& autoStart=false& width=600& height=490& playerid=5B1BAFA93D12E3DE& playertype=2" type=" text/javascript" /script p style=" text-indent: 0em text-align: center " span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 南方科技大学冷冻电镜中心成立CCTV13报道 /span /p p style=" text-indent: 2em " 作为南方科技大学冷冻电镜中心的科学顾问委员会成员， span style=" color: rgb(0, 112, 192) " strong 2017年诺贝尔化学奖获得者、冷冻电镜技术开创者之一理查· 亨德森（Richard Henderson） /strong /span 表示， strong 南科大冷冻电镜中心落成之后，将会成为全球最大的三个冷冻电镜中心之一。 /strong 目前，世界上大概有100个类似的研究机构，南科大冷冻电镜中心落成之后，其研究能力将会达到全球的前5%，对相关科研领域的研究产生更大的影响。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 498px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202002/uepic/c019c9ad-1903-4ba7-9efd-b6dc772f216c.jpg" title=" 部分仪器设备.png" alt=" 部分仪器设备.png" width=" 600" height=" 498" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-indent: 2em text-align: center " span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 南方科技大学冷冻电镜中心部分仪器设备 /span /p p style=" text-indent: 2em " 作为深圳市重大基础科研设施平台，平台支持的技术领域主要有低剂量冷冻高分辨显微成像、单颗粒冷冻电镜、电子断层成像、微晶电子衍射、细胞和组织生物学电镜研究等。中心拟安装300kV冷冻电镜6台以及200/120kV电镜、扫描电镜、以及围绕这些显微成像设备相关的样品制备仪器，包括常温/低温超薄切片机、高压冷冻仪、投入式快速载网冷冻仪、真空镀膜仪、表面等离子清洗仪等。此外，平台拥有完整的显微图像数据存储和处理高性能计算机集群一套。 /p p br/ /p

p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201802/insimg/e2f81b1e-e30b-4ff6-8cc6-54a29e2ec276.jpg" title=" 20180211094445855.jpg" / /p p 　　记者10日从中国科学技术大学获悉，该校科研人员在利用冷冻电镜解析神经突触超微结构方面取得突破，解密了神经突触“黑匣子”。 /p p 　　国际学术期刊美国神经科学学会会刊《神经科学期刊》(《Journal of Neuroscience》)近日以封面形式报道了该项研究成果。 /p p 　　突触是大脑行为、意识、学习与记忆等功能的最基本结构与功能单元，同时也是多种脑疾病发生的起源。精确解析突触的分子组织架构及其在神经活动过程中的变化，被认为是解密大脑奥妙的最直接有效的方法，也是神经科学中最基础的研究工作之一。 /p p 　　早期，生化与分子生物学、电生理学等研究发现了突触中的各种大量分子和细胞器组份，并揭示了突触的各种功能特性和可塑性规则。然而，由于研究手段的局限，突触中的这些不同组件是如何组织成复杂的机器来执行不同的功能，还远远没有充分观察和解析。 /p p 　　中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心与生命科学学院毕国强、刘北明与周正洪教授合作，利用最新发展的冷冻电子断层三维重构技术(cryoET)，结合自主研发的冷冻光电关联显微成像技术，实现了对中枢神经系统中两类最主要突触的定量化分析。通过将大鼠的海马神经元培养在冷冻电镜的特型载网上，课题组获得了一系列完整突触在近生理状态下的三维结构。 /p p 　　结合定量分析手段，首次报道了抑制性突触的均匀薄片状突触后致密区结构，并发现两类突触中均存在椭球状突触囊泡，结束了关于两类突触在突触囊泡和突触后致密区形态精细结构上的由来已久的争论。 /p p 　　随后，课题组进一步获得了突触在分子水平的精细组织架构，实现了在突触原位直接观察单个神经递质受体蛋白复合物及其与支架蛋白的相互作用。 /p p 　　这是当前国际上首次利用冷冻电镜技术对完整突触进行系统性定量分析。该工作一方面推动了对突触超微结构与功能这一“黑匣子”的解密，另一方面为突破冷冻电镜技术在复杂细胞体系中原位解析生物大分子复合物的组织结构这一技术难题奠定了基础。 /p

石墨是商用锂离子电池的关键负极材料，也是最常见的二维材料。锂离子嵌入石墨会形成一系列阶结构，阶的微观结构决定着石墨嵌入化合物的物理化学性质。然而它的微观图像及其形成和转变动力学并不清晰，这限制了准确预测石墨嵌入化合物相关性质与性能，也阻碍了石墨在不同工况下的实际应用，比如快速充电。目前，研究人员主要提出了两种模型（Rüdorff-Hofmann和Daumas-Hérold模型）来描述石墨嵌锂形成的阶结构及其演变（图1a-b）。这两种模型显示出相同的长程有序结构，而具有不同的短程结构。揭示阶结构的微观真实面纱需要借助对纳米或者原子结构敏感的表征技术，如透射电子显微镜（TEM）。由于石墨材料对辐照敏感，常规TEM难以得到石墨及其嵌入化合物的真实纳米或者原子结构。近期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心特聘研究员王雪锋、研究员王兆翔和副研究员肖睿娟等利用冷冻透射电子显微镜（cryo-TEM）和其他表征技术以及理论计算与模拟在纳米尺度上揭示了锂离子嵌入石墨后形成阶结构的特征及其演变机制。　　结果发现，锂离子不均匀地嵌入石墨层间，产生局域应力，导致石墨结构发生扭曲变形，形成位错。不同阶结构之间的转变是通过锂离子扩散以及位错的移动、相互作用和转换实现的。每种阶结构锂化石墨在宏观上是均匀的（具有特征的平均晶面间距和衍射花样的长程有序排列），但在微观上是不均匀的（由不同的阶结构和位错组成）。基于此，该团队提出局域畴结构模型（Localized-domains model，图1c）来描述石墨嵌锂过程中的结构演变。该研究结果联结了锂化石墨中的长程有序结构和局域结构，更新了人们对阶结构及其演变的认识，提出通过缺陷工程改善石墨嵌锂动力学并有望应用于快充电池。 图1 不同石墨嵌锂结构模型示意图 图2 电化学锂化过程中石墨长程结构的演变。（a）原位XRD；（b）锂化过程中石墨的电压曲线（电流密度为20 mA g-1）。 图3 锂化石墨局域结构的演变。不同阶石墨嵌锂化合物的iFFT图像（a-h）及缺陷分数统计（i）。 　　图4 锂化石墨中缺陷的类型及其演变。（a）缺陷示意图及其对应的iFFT图像和应力分布；不同阶石墨嵌锂化合物中的缺陷类型演变（b）及应力分布（c-g）。 图5 锂化石墨中的长程结构和短程结构。不同阶石墨嵌锂化合物的iFFT图像（a-d）及其中的短程结构（e-h）和平均晶面间距（i-l）。 　　图6 Ⅲ阶石墨（LiC18）中三种不同缺陷的结构演变。三种初始（a-c）及弛豫后（d-f）的具有不同缺陷的LiC18结构；（g-i）三种结构中锂离子的扩散路径；（j-l）（e）中结构随着时间的演变。

石墨是商用锂离子电池的关键负极材料，也是最常见的二维材料。锂离子嵌入石墨会形成一系列阶结构，阶的微观结构决定着石墨嵌入化合物的物理化学性质。然而它的微观图像及其形成和转变动力学并不清晰，这限制了准确预测石墨嵌入化合物相关性质与性能，也阻碍了石墨在不同工况下的实际应用，比如快速充电。目前，研究人员主要提出了两种模型（Rüdorff-Hofmann和Daumas-Hérold模型）来描述石墨嵌锂形成的阶结构及其演变（图1a-b）。这两种模型显示出相同的长程有序结构，而具有不同的短程结构。揭示阶结构的微观真实面纱需要借助对纳米或者原子结构敏感的表征技术，如透射电子显微镜（TEM）。由于石墨材料对辐照敏感，常规TEM难以得到石墨及其嵌入化合物的真实纳米或者原子结构。近期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心特聘研究员王雪锋、研究员王兆翔和副研究员肖睿娟等利用冷冻透射电子显微镜（cryo-TEM）和其他表征技术以及理论计算与模拟在纳米尺度上揭示了锂离子嵌入石墨后形成阶结构的特征及其演变机制。结果发现，锂离子不均匀地嵌入石墨层间，产生局域应力，导致石墨结构发生扭曲变形，形成位错。不同阶结构之间的转变是通过锂离子扩散以及位错的移动、相互作用和转换实现的。每种阶结构锂化石墨在宏观上是均匀的（具有特征的平均晶面间距和衍射花样的长程有序排列），但在微观上是不均匀的（由不同的阶结构和位错组成）。基于此，该团队提出局域畴结构模型（Localized-domains model，图1c）来描述石墨嵌锂过程中的结构演变。该研究结果联结了锂化石墨中的长程有序结构和局域结构，更新了人们对阶结构及其演变的认识，提出通过缺陷工程改善石墨嵌锂动力学并有望应用于快充电池。相关成果以Localized-Domains Staging Structure and Evolution in Lithiated Graphite为题发表在Carbon Energy上。上述研究工作得到国家自然科学基金委和北京市自然科学基金的资助。论文链接 图1 不同石墨嵌锂结构模型示意图 图2 电化学锂化过程中石墨长程结构的演变。（a）原位XRD；（b）锂化过程中石墨的电压曲线（电流密度为20 mA g-1）。 图3 锂化石墨局域结构的演变。不同阶石墨嵌锂化合物的iFFT图像（a-h）及缺陷分数统计（i）。 　　图4 锂化石墨中缺陷的类型及其演变。（a）缺陷示意图及其对应的iFFT图像和应力分布；不同阶石墨嵌锂化合物中的缺陷类型演变（b）及应力分布（c-g）。 图5 锂化石墨中的长程结构和短程结构。不同阶石墨嵌锂化合物的iFFT图像（a-d）及其中的短程结构（e-h）和平均晶面间距（i-l）。 　　图6 Ⅲ阶石墨（LiC18）中三种不同缺陷的结构演变。三种初始（a-c）及弛豫后（d-f）的具有不同缺陷的LiC18结构；（g-i）三种结构中锂离子的扩散路径；（j-l）（e）中结构随着时间的演变。

p 　　2017年6月8日，清华大学生命学院、结构生物学高精尖创新中心颜宁研究组在《细胞》(Cell)杂志在线发表了题为《人源脂类外向转运蛋白ABCA1的结构》(Structure of the Human Lipid Exporter ABCA1)的研究论文，首次报道了胆固醇逆向运输过程中的关键蛋白ABCA1近原子分辨率的冷冻电镜结构，为理解其作用机制及相关疾病致病机理奠定了重要基础。 /p p 　　胆固醇广泛地存在于高等动物的各类组织细胞当中，它不仅是细胞膜、血浆脂蛋白的重要组成部分，也是包括胆酸、维生素D、类固醇激素在内的许多特殊生物活性分子的前体化合物。但是，人体内过量的胆固醇积累会促进血管动脉粥样硬化的发生和发展，并有可能导致严重的心脑血管疾病(如冠心病及中风等)。正因为胆固醇对于人体健康具有两面性，所以细胞内的胆固醇平衡(cholesterol homeostasis)对于维持人体的健康是必须的。细胞内的胆固醇平衡涉及一系列受严格调控的过程(图1)，例如低密度脂蛋白受体介导的胆固醇摄取、以乙酰辅酶A为原料的胆固醇合成、SREBP/SCAP/Insig信号通路介导的胆固醇代谢转录调控、NPC1/NPC2介导的胆固醇胞内转运、ABCA1/ABCG1介导的胆固醇逆向运输(reverse cholesterol transport)等。 /p p 　　颜宁教授研究组一直以来都在针对胆固醇代谢调控通路进行系统的结构生物学与生物化学研究，在近年开始取得进展。她们相继解析了胆固醇感应蛋白Insig在分枝杆菌中同源蛋白的晶体结构(Ren et al., Science, 2015) 裂殖酵母SREBP、SCAP各自C端可溶结构域的晶体结构以及可溶结构域复合体的冷冻电镜结构(Gong et al., Cell Research, 2015 Gong et al., Cell Research, 2016) 人源胆固醇胞内转运蛋白NPC1的冷冻电镜结构(Gong et al., Cell, 2016)。 /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201706/insimg/a6900dcb-ad18-4a7e-a91e-12ed9266aba4.jpg" title=" 1.jpg" width=" 600" height=" 590" border=" 0" hspace=" 0" vspace=" 0" style=" width: 600px height: 590px " / /p p style=" text-align: center " 图1. 细胞内胆固醇平衡的整体示意图(图片来源：《Methods in Molecular Biology》) /p p 　　胆固醇逆向运输是指将肝外组织细胞内的胆固醇通过血液循环转运回到肝脏，在肝脏中进行代谢转化再排出体外的过程。胆固醇逆向运输可以通过将过量的胆固醇从动脉血管壁细胞排出体外来阻止泡沫细胞的形成，从而抑制动脉粥样硬化的发生和发展。胆固醇逆向运输过程的第一步是ABCA1将包括磷脂和胆固醇在内的脂类向细胞外运输，然后与细胞外的脂类受体载脂蛋白A-I(apolipoprotein A-I, apoA-I)结合从而形成初生高密度脂蛋白(nascent HDL)。高密度脂蛋白HDL被认为是对人体有益的，脂类的外排和与apoA-I的结合是HDL形成的限速步。之前的研究还发现，人体中的ABCA1突变会导致HDL缺乏症，包括丹吉尔病(Tangier disease)和家族性HDL缺乏症(familial HDL deficiency)。虽然ABCA1作为胆固醇逆向运输过程中的关键蛋白，同时在动脉粥样硬化等疾病的发生和发展过程中具有关键性的作用，但是目前对于ABCA1的结构及其介导的脂类外向转运和初生HDL形成的机制大部分都是未知的。 /p p 　　在最新的《细胞》论文中，来自清华大学的科研人员首次解析了人源ABCA1全长蛋白的近原子分辨率冷冻电镜结构，其中整体结构为4.1埃，关键的胞外区结构域为3.9埃。ABCA1属于ABC (ATP-binding cassette)超家族，这是第一个ABCA亚家族的高分辨率结构，结构显示它具有非常特别的胞外区结构域。虽然ABCA1的核酸结合结构域(nucleotide-binding domain, NBD)处于未结合核酸的状态，但是它的跨膜区却意外的处于“向外开放”(“outward-facing”)的状态，而以前报道的所有ABC外向转运蛋白在未结合核酸时都处于向内开放(inward-facing)的状态。ABCA1的胞外区形成了一个非常独特的结构，其中包含了一个长的疏水孔道(elongated hydrophobic tunnel)，为进一步的功能研究提供了非常关键的线索。ABCA1的高分辨率结构，也为理解之前大量疾病突变的致病机制提供了重要基础。最后基于结构分析，她们针对ABCA1介导的磷脂外向转运提出了一个侧向进入(lateral access)的转运模型，这个模型不同于以往绝大部分主动转运蛋白和次级转运蛋白所采取的交替转运(alternating access)模型。在交替转运模型中，转运蛋白的跨膜区在转运过程中需要交替的呈现向内开放和向外开放的形式，从而实现将底物从膜的一侧向另一侧转运 然而在ABCA1的侧向进入模型中，跨膜区即使在“向外开放”的情况下，底物依然可以从细胞膜的内叶(inner leaflet)侧向进入跨膜区的底物结合口袋，因此ABCA1在转运过程中可能不存在一个“向内开放”的状态(图2)。总的来说，ABCA1结构的解析不仅为理解其作用机制及相关疾病致病机理奠定了重要基础，同时也丰富了我们对跨膜转运蛋白工作机理的理解。 /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201706/insimg/2548f4ef-8828-4815-b1f8-52ad21318001.jpg" title=" 2.jpg" width=" 600" height=" 598" border=" 0" hspace=" 0" vspace=" 0" style=" width: 600px height: 598px " / /p p style=" text-align: center " 图2. 人源ABCA1蛋白的结构模型及其介导磷脂外向转运和初生HDL形成的示意图 /p p 　　CLS项目13级博士生钱洪武和结构生物学高精尖创新中心卓越学者龚欣博士(医学院博士后)为本文的共同第一作者，颜宁教授和龚欣博士为本文的共同通讯作者。CLS项目16级博士生赵馨和医学院15级博士生曹平平也参与了该项课题研究。本研究获得了清华大学冷冻电镜平台雷建林博士、李小梅和李晓敏的大力支持。国家蛋白质科学中心(北京)清华大学冷冻电镜平台和清华大学高性能计算平台分别为本研究的数据收集和数据处理提供了支持。科技部、基金委、生命科学联合中心-清华大学、生物膜与膜生物工程国家重点实验室、北京市结构生物学高精尖创新中心为本研究提供了经费支持。 /p

p style=" text-align: center " 　 img style=" width: 450px height: 300px " title=" " alt=" " src=" https://5b0988e595225.cdn.sohucs.com/images/20180225/3c8aab60dba745dba378baa58e3763e7.jpeg" height=" 300" hspace=" 0" border=" 0" vspace=" 0" width=" 450" / /p p 　　2018年2月7日，国际学术期刊—美国神经科学学会会刊《Journal of Neuroscience》以封面形式报道了中国科大微尺度物质科学国家研究中心与生命科学学院毕国强、刘北明与周正洪教授合作课题组的研究成果—利用冷冻电子断层三维重构技术(cryo-electrontomography,cryoET)与冷冻光电关联显微成像技术(cryo- correlative light and electron microscopy, cryoCLEM)解析神经突触超微结构。 /p p 　　突触是大脑行为、意识、学习与记忆等功能的最基本结构与功能单元，同时也是多种脑疾病发生的起源。精确解析突触的分子组织架构，及其在神经活动过程中的变化被认为是解密大脑奥妙的最直接有效的方法，也是神经科学中最基础的研究工作之一。早期，生化与分子生物学、电生理学等研究发现了突触中的各种大量分子和细胞器组份，并揭示了突触的各种功能特性和可塑性规则。然而，由于研究手段的局限，突触中的这些不同的组件是如何组织成复杂的机器来执行不同的功能，还远远没有充分观察和解析。最新发展的冷冻电镜技术(cryoEM)，尤其是cryoET技术能够实现对亚细胞乃至全细胞在纳米水平分辨率的三维成像，为突触分子组织架构的解析提供了契机。 /p center p style=" text-align:center" img style=" width: 450px height: 253px " title=" " alt=" " src=" https://5b0988e595225.cdn.sohucs.com/images/20180225/1a09c6615b644cab8d1b801fb8bf6375.jpeg" height=" 253" hspace=" 0" border=" 0" vspace=" 0" width=" 450" / /p /center p 　　合作课题组利用cryoET结合自主研发的冷冻光电关联显微成像技术实现了对中枢神经系统中两类最主要突触-兴奋性/抑制性突触的精确区分以及结构特征的定量化分析。通过将大鼠的海马神经元培养在冷冻电镜的特型载网上，随后进行快速冷冻后并直接进行CryoET/CryoCLEM成像，课题组获得了一系列完整突触在近生理状态下的三维结构。结合定量分析手段，首次报道了抑制性突触的均匀薄片状突触后致密区结构，并发现两类突触中均存在椭球状突触囊泡，结束了关于两类突触在突触囊泡和突触后致密区形态精细结构上的由来已久的争论。进一步，利用当前最先进的结合了Volta相位板、电子能量过滤器和直接探测相机的冷冻电镜成像设备，合作课题组获得了突触在分子水平的精细组织架构，实现了在突触原位直接观察单个神经递质受体蛋白复合物及其与支架蛋白的相互作用。 /p center p style=" text-align:center" img style=" width: 450px height: 338px " title=" " alt=" " src=" https://5b0988e595225.cdn.sohucs.com/images/20180225/3d9159e6d55349468de507eb6529dbf6.jpeg" height=" 338" hspace=" 0" border=" 0" vspace=" 0" width=" 450" / /p /center p 　　这是当前国际上首次利用冷冻电镜技术对完整突触进行系统性定量分析。这一工作，一方面推动了对突触超微结构与功能这一“黑匣子”的解密，另一方面为突破冷冻电镜技术在复杂细胞体系中原位解析生物大分子复合物的组织结构这一技术挑战奠定了基础。 /p center img alt=" " src=" https://5b0988e595225.cdn.sohucs.com/images/20180225/45e3e783ec57412d8f858989386d1214.jpeg" height=" 454" width=" 356" / /center p 　　图: 利用CryoET解析离体培养海马神经突触三维结构的三维可视化渲染(Journal of Neuroscience 2018年2月7号封面) /p

近日，北京大学未来技术学院分子医学研究所研员陈雷课题组发现了钠漏通道NALCN-FAM155A-UNC79-UNC80复合物的冷冻电镜结构及UNC79-UNC80调节NALCN-FAM155A的机制。这一研究于5月12日发表在《自然-通讯》上。　　神经细胞的静息膜电位（Resting Membrane Potential, RMP）影响着神经细胞的可兴奋性，对于维持神经细胞正常的生理功能至关重要。钠漏通道NALCN（Sodium Leak Channel, Nonselective）介导了神经细胞的钠漏电流，能使静息膜电位更加去极化，从而提高神经细胞的可兴奋性。　　NALCN在哺乳动物中高度保守，与电压门控钙离子通道（CaV）和电压门控钠离子通道（NaV）同源性较高。且参与了诸多与神经系统相关的重要的生物学过程，包括呼吸节律的调节、痛觉感知、生物钟的调节和快速动眼睡眠等。　　“在人群中，NALCN的单点突变会引起多种严重的神经发育遗传疾病，包括精神运动发育迟缓和具有特征面相的小儿肌张力低下症及四肢和面部先天性挛缩、肌张力低下和发育迟缓症等。尽管NALCN通道有着如此重要的功能，但其工作机制仍不清楚。”陈雷告诉《中国科学报》。　　在2020年，陈雷研究组曾解析NALCN-FAM155A亚复合体的高分辨率结构，阐明了NALCN的钠离子选择性、胞外钙离子阻塞和电压调节特性的结构基础，发现了在NALCN通道中独有的位于II-III linker上的CIH螺旋可以结合在其胞内结构域上。但是UNC79和UNC80的结构以及它们是如何激活NALCN的并不清楚。　　先前的研究表明，UNC79和UNC80容易与NALCN-FAM155A亚复合体发生解离。在本项研究中，作者们在NALCN的C末端融合了GFP，UNC80的N末端融合了与GFP高亲和力结合的纳米抗体以稳定UNC79/80与NALCN间的相互作用。　　经过同源蛋白筛选等步骤，研究人员确定以大鼠NALCN和小鼠FAM155A, UNC79和UNC80亚基组成的复合体为研究对象，并在克服了样品制备、数据处理等困难后，通过单颗粒冷冻电镜技术获得了整体分辨率为3.2埃的四元复合物的电子密度，并搭建了原子模型。　　结构显示，UNC79和UNC80均由富含螺旋的结构组成，这些螺旋进一步的组装成HEAT重复或ARM重复等超螺旋结构。UNC79的N端与UNC80的C端、UNC79与UNC80的中间铰链区以及UNC79的C端与UNC80的N端均存在着紧密的相互作用，形成钳子状的复合体，整体形状类似于无穷号“∞”。 进一步的研究发现，NALCN主要通过胞内loop区与UNC79-UNC80发生相互作用的：NALCN胞质侧的I-II linker中的一段β-发卡结构（UNIM-A）与UNC79发生相互作用，II-III linker中的一段loop-螺旋结构（UNIM-B）以及一段L型螺旋结构（UNIM-C）与UNC80发生相互作用。作者们将NALCN与UNC79/80发生相互作用的基序命名为UNC Interacting Motif (UNIM)。　　陈雷介绍，该项研究还发现，UNC79, UNC80和FAM155A三个附属亚基对于NALCN能够正确的转运到细胞膜上是必不可少的。“这有可能是因为这些互作使UNC79/80遮挡了NALCN胞质侧loop上的内质网滞留信号，从而促进NALCN上膜。另外，这些互作也释放了CIH对NALCN的自抑制，使其激活。这为深入理解NALCN复合体的工作机制奠定了基础。”他说。