2017年诺贝尔化学奖

获得高分辨率图像所需的强烈电子
束流会破坏生物材料样品
强度降低
成像质量下降
局
限
寻找新的成像技术 需要真空腔，这样的环境使生物分
子周围的水会迅速挥发，导致结构
崩塌
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突破
• 1968年，剑桥大学MRC分子生物学实验室，Aron Klug和 DeRosier在Nature上发表了一篇关于利用电子显微镜照片 重构噬菌体病毒尾部三维结构的论文，提出并建立了电子显 微三维重构的一般概念和方法。Aron Klug因此获得1982年 诺贝尔化学奖。
细菌视紫红质三维立 体结构图像（7Å）
原子级分辨率的细菌 视紫红质结构
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Joachim Frank
完成单颗粒三维重构算 法及软件Spider 冷冻电镜单颗粒分析的鼻祖
冷冻电镜发展的基础 8
Jacques Dubochet
亨德森
用葡萄糖保护 （不能普遍使用）
迪波什 对生物样品进行玻璃化
重要贡献：在真空环境下使
2017年度诺贝尔化学奖
——冷冻电镜技术
PPT制作： 云南大学生命科学学院2017级研究生
The Nobel Prize in Chemistry 2017
Jacques Dubochet
Joachim Frank
Richard Henderson
"for developing cryo-electron microscopy for the highresolution structure determination of biomolecules in solution".
2015年8月21日，施一公团队在《科学》（Science）同时 在线发表了两篇研究长文，《3.6埃的酵母剪接体结构》和 《前体信使RNA剪接的结构基础》。文章介绍了通过单颗粒 冷冻电子显微技术（冷冻电镜）解析的酵母剪接体近原子分 辨率的三维结构。
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冷冻电镜+清华大学=CNSቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
人源剪接体与酵母剪接体的比较
生物分子保持自然形状 9
冷冻电镜技术
样品冷冻
保持蛋白溶液态 结构
冷冻成像
获取二维投影图 像
三维重构
从二维图像通过 计算得到三维密 度图
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诺奖级助手——冷冻电镜
冷冻电镜技术能将运动中的生 物分子进行冷冻，并在原子层 面上进行高分辨率成像。
冷冻电镜的发展就像是 一场猛烈的革命
这项技术将生物化学带入一个崭新时代。
• 1974年，加州大学伯克利分校的Robert Glaeser和他学生 Ken Taylor 首次提出冷冻电镜，并测试了冷冻含水生物样品 的电镜成像，目的在于降低高能电子对分子结构的损伤，并 因此实现高分辨成像。
—— 冷冻电镜的雏形
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Richard Henderson
成功地使用电子显微镜得到了原 子层面分辨率的蛋白质三维结构 图像，有力证明了用电子显微镜 进行生物分子成像的潜力。
冷冻电镜
X射线单晶衍射仪
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冷冻电镜技术的优点
• 第一，不需要结晶，研究对象范围大大扩展，研究速度大大 提高。 • 核糖体从上世纪80年代初首次长出晶体到2000年左右最 终拿到原子分辨率结构整整经历了20年； • 利用冷冻电镜技术，一周时间就可以解析一个新的核糖体 结构； • 线粒体呼吸链复合物I从上世纪90年代初研究，第一次报道 完整晶体结构大约是20年以后。
2017年5月12日，《细胞》（Cell）在线发表了题为《人源剪接体 的原子分辨率结构》。这是第一个高分辨率的人源剪接体结构，也 是首次在近原子分辨率的尺度上观察到酵母以外的、来自高等生物 的剪接体的结构，进一步揭示了剪接体的组装和工作机理，为理解 高等生物的RNA剪接过程提供了重要基础。
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诺奖级助手终获诺奖
不用结晶直接解析蛋白质 结构，并达到近原子分辨率， 这无异于是一场革命。在程亦 凡看来， X射线晶体学时代现 在不会结束，将来也不会。
美国加州大学旧金山分校副教授程亦凡
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冷冻电镜与X射线晶体学比较
• 冷冻电镜实验室培养的学生还太少，远不能满足需求。 • 目前电镜还没有像X射线晶体学那样形成流程化的操作。 • 冷冻电镜电子衍射法可以利用很小的晶体就进行结构解析。
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缺陷
X射线晶体衍射
需要将纯化后的生物样品 进行晶体生长
核磁共振
能解析在溶液状态下的蛋 白质结构
晶体生长时间久 复杂的大分子物质难以获 得晶体
蛋白质在溶液中往往结构 不稳定而难以获取稳定的 信号
难以提取到关于蛋白质动态下的有价值信息 4
另一种方式：电子显微镜
电子显微镜能够分辨 非常微小的结构
传统显微镜 —— 一束光线 电子显微镜 —— 一束电子束流
特点：不需要结晶且需要的 样品量极少，即可迅速解析 大型蛋白复合体原子分辨率 三维结构
2015年《自然》杂志旗下子 刊 Nature Methods 将 冷 冻 电镜技术评为年度最受关注 的技术。
直接电子相机 两个关键技术
三维重构软件
终获2017年诺贝尔化学奖
实至名归
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冷冻电镜的发展是否意味着X射线晶体学时代 即将结束?
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科学背景
X射线晶体学 X-ray
crystallography
冷冻电镜 cryo-EM
结构生 物学
核磁共振 NMR
科技创新驱动学科发展
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生物大分子结构解析的技术
结构 生物分子的原子排布
功能 蛋白功能
X射线晶体衍射
核磁共振（NMR）
蛋白质数据库的十万多条蛋白词目里，超过90%的蛋白结构 是利用X射线晶体衍射技术得到的
a 一种控制昼夜节律 的蛋白质复合体 （2017年诺贝尔生理 及医学奖）
b
B 一种可感知耳中压 力变化、使人听到声 音的蛋白质
c 寨卡病毒 （自2015年确诊第一例以 来，全球范围内超过150 万人被感染）
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冷冻电镜发展中的里程碑
2013 年 加 州 大 学 旧 金 山 分 校 （ UCSF ）程亦凡和 David Julius 的研究组首次得到膜蛋白TRPV1的 3.4Å 近 原 子 级 别 的 高 分 辨 率 三 维 结构（Nature上）。
• 近原子分辨率的炎症复合体结构 • 30nm染色质左手螺旋高级结构 • 3.4Å的人源Y分泌酶复合物结构
TRPV1蛋白的三维结构
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冷冻电镜应用的迅猛发展
（a）不同年份中利用冷冻电镜单颗粒重构技术能够达到的最高分辨率 （b）通过冷冻电镜技术进行的研究成果在不同杂志上发表的论文数
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冷冻电镜+清华大学=CNS