生物物理学报2013年12月第29卷第12期：879．898ACTABIOPHYSICASINICAVo1．29No．12Dec．2013：879．898螺旋组装体的电镜三维重构张艳，孙飞中国科学院生物物理研究所，生物大分子国家重点实验室，北京100101WWW．cjb．org．cn收稿日期：2013．11-29；接受日期：2013—12—05基金项目：国家自然科学基金青年基金项目(31100617)，"973”计划项目(2011CB910301)，青年“973”计划项目(2014CB91O700)通讯作者：孙飞，电话：(010)64888582，传真：(010)64888376，E-mail：feisun@ibp．ac．ca摘要：低温电镜三维重构技术近年来得到飞速发展，其在分析生物大分子复合物的结构和功能中起着重要作用。低温电镜三维重构技术主要包括电子断层三维重构技术、电子晶体学及单颗粒三维重构技术。由于无需结晶，且所能达到的分辨率较高，目前，单颗粒三维重构技术已经成为电镜三维重构领域的主流技术。在用单颗粒三维重构技术进行结构解析时，有一类特殊的研究对象，即螺旋组装体，如烟草花叶病毒(tobaccomosaicvirus，TMV)、微管和微丝(microfilament)、艾滋病病毒1型(HIV一1)衣壳蛋白等，对这类螺旋组装体的结构进行三维重构不是很容易，涉及诸多物理和数学的概念。本文重点介绍螺旋组装体的基本重构原理，包括螺旋组装体的数学描述、衍射指数的推导和物理意义、螺旋点阵和真实螺旋组装体Fourier变换间的关系，以及螺旋对称参数的测定和计算等。在此基础上，文章综述了螺旋组装体的三维重构算法，主要包括频率空间的Fourier-Bessel重构方法和实空间的迭代单颗粒重构方法。最后，文章以与细胞极性发生相关的蛋白Par-3的N端结构域Par-3NTD为实例，详细介绍了Par-3NTD螺旋组装体的实空间迭代单颗粒重构方法。关键词：螺旋组装体；低温电镜；三维重构；Fourier-Bessel变换；实空间迭代的螺旋三维重构算法中图分类号：Q71I'oI：】0．3724／SP．J．】260．2013．30159引言螺旋在日常生活中很常见，比如弹簧、盘旋楼梯等都具有螺旋结构。这种螺旋结构体在生物体中一样普遍存在，且在行使生命活动的过程中具有重要作用。沃森和克里克1953年发现的DNA双螺旋结构及蛋白质中广泛存在的基本结构组成部分螺旋，都是螺旋结构在生命体中的典型代表。组成细胞骨架的纤丝是由微管[、肌动蛋白【s、肌凝蛋白[8~10]等球状蛋白按照螺旋点阵组装的。类似的，组成细胞外纤维的鞭毛【l】】和菌毛[12,13]，以及细胞外基质的胶原蛋白㈣等，也是由组成蛋白以螺旋结构的形式组装而成的。有些病毒，比如艾滋病病毒1型衣壳蛋白也可以组装成螺旋结构【5,1司。这些例子表明了螺旋组装体的一个重要的共同性质：由单个的基本构造单元组装成一个可延长的、纤维状的结构。这种纤维结构的性质则由螺旋体的空间几何性质及相邻基本构造单元间的相互作用关系来确定【圳。879生物物理学报2013年第29卷第12期近几十年来，已经有大量的相关研究揭示了螺旋组装体的几何结构，并发展了相应的算法以解析螺旋组装体的结构。其中最主要的算法可以分为两类：一类是基于Fourier-Bessel变换的Fourier-Bessel重构，该方法主要基于Cochran等1952年对螺旋组装体衍射性质的研究[20,2”，根据Fourier空间衍射信息，确定相应Bessel函数阶数的衍射值，然后再进行逆Fourier变换，得到实空间的螺旋组装体的结构[22-25]；另一类是基于单颗粒三维重构的实空间迭代的螺旋三维重构算法fiterativehelicalrealspacereconstruction，IHRSR)[26,27]。尤其是IHRSR算法发展以后，关于螺旋组装体的结构研究层出不断f如F—actiniC]、Dynamin[29]、EspAp0】等等)。如此众多的螺旋组装体的结构研究，都离不开螺旋组装体其复杂的重构原理。本文将总结螺旋组装体的基本重构原理，介绍螺旋组装体的基本数学描述[31,3、螺旋结构体与二维点阵的关系、螺旋组装体与二维点阵的Fourier变换、衍射信息的提取及其螺旋参数的计算。在这些基本理论知识的基础上，进一步介绍螺旋组装体的两种主要重构方法的主要步骤。并通过Par-3的N端结构域的冷冻电镜三维重构，展示实空间螺旋三维重构的一个具体应用。螺旋组装体的数学描述及其相关理论基础螺旋组装体的数学描述一个连续的螺旋线可以通过...
