2017年诺贝尔化学奖
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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
24
附表：生理或医学奖
时间
2013 1979
获奖技术
磁共振成像 计算机辅助断层扫描技术
获奖人
Paul C. Lauterbur and Sir Peter Mansfield Allan M. Cormack and Godfrey N. Hounsfield
25
谢谢观看
冷冻电镜
X射线单晶衍射仪
18
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。 • 冷冻电镜方法跳过超大分子复合物结晶难的这层技术屏障， 以直接解析复合物的溶液状态的结构为目标。
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。
b
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 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）
11
冷冻电镜发展中的里程碑
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". 1
冷冻电镜+清华大学=CNS
Baidu Nhomakorabea
人源剪接体与酵母剪接体的比较
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。
21
未 来
• 冷冻电镜技术革命还将开启巨大的潜在医疗价值。冷冻电镜 技术方法在时间和精度方面的大幅度提高有时会导致不可预 测的重大科学和应用价值。 • 活体病毒结构分析如果可以在分钟级别完成，这将有可能转 化为潜在的医疗检测手段： 从病人体内抽取血样或感染组织细胞，几分钟以后，非常清 晰明了地展现病人在细胞内部结构层面的异常状况，甚至给 出局部的原子结构图，从而给出精准的治疗方案。
Jacques Dubochet
亨德森
用葡萄糖保护 （不能普遍使用）
对生物样品进行玻璃化
迪波什
重要贡献：在真空环境下使 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
10
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。
缺陷
X射线晶体衍射 核磁共振
需要将纯化后的生物样品 进行晶体生长
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
16
冷冻电镜的发展是否意味着X射线晶体学时代 即将结束?
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
17
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。
Fritz Pregl Francis William Aston
23
附表：物理奖
时间 2017 2013 2009 获奖技术 LIGO 探测器 大型强子对撞机 通信光纤传输 获奖人 Rainer Weiss, Barry C. Barish and Kip S. Thorne François Englert and Peter W. Higgs Charles Kuen Kao
15
诺奖级助手终获诺奖
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 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 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。
实至名归
20
未 来
• 如果能结合功能信息，确定不同构像在生物大分子或复合体 行使功能过程中的时间顺序，人们就可揭示生物大分子或复 合体执行功能的结构变化，从而从根本上阐明生物大分子的 工作机制。 • 冷冻电镜技术的突破，把结构生物学从“静态结构生物学” 变成了“动态结构生物学”，把结构和功能真正对应起来。 • 用冷冻电镜直接去看细胞里面的结构。
电子显微镜 —— 一束电子束流
局 限
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
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 寻找新的成像技术
5
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。 • 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 6
Bertram N. Brockhouse Georges Charpak Gerd Binnig and Heinrich Rohrer Kai M. Siegbahn Charles Hard Townes, Nicolay Gennadiyevich Basov and Aleksandr Mikhailovich Prokhorov Karl Manne Georg Siegbahn Guglielmo Marconi and Karl Ferdinand Braun Albert Abraham Michelson
1959
1948 1936
极谱分析方法
电泳和吸附分析 气体中 X 射线和电子的衍射
Jaroslav Heyrovsky
Kaurin Tiselius Petrus (Peter) Josephus
1931
1923 1922
化学高压方法
有机物质的微量分析方法 质谱仪, 同位素,
Carl Bosch and Friedrich Bergius
19
冷冻电镜技术的优点
• 样品需求量小，样品制备快，可重复性高。 • 可以研究天然的、动态的结构。 • 直接解析天然的、溶液态的、动态的（dynamic），甚至 原位(in situ)的结构，从而理解生命分子如何在空间和时 间两个尺度上以活的动态的方式发挥功能。
• 晶体学只能尝试不同的条件获得生物大分子某个或者某些 固定的状态，而且容易出现晶体堆积引起的不真实相互作 用方式。形象地说，冷冻电镜可以制作完整的高清电影， 晶体学只能从电影里截屏。
2005 2000
1994 1992 1986 1980 1964 1924 1909 1907
激光精密光谱学 用于高速和光电电子的半导 体
中子衍射技术 微粒探测器 扫描隧道显微镜 高分辨率电子光谱学 基于脉泽-激光原理的振荡器 和放大器 X 射线光谱学 无线电报 光学精密仪器
John L. Hall and Theodor W. Hänsch Zhores I. Alferov and Herbert Kroemer
科学背景
冷冻电镜 cryo-EM X射线晶体学 X-ray crystallography
核磁共振 NMR
结构生 物学
科技创新驱动学科发展
2
生物大分子结构解析的技术
结构 功能
生物分子的原子排布
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 3
22
附表：化学奖
时间 2017 2014 2002 1999 1993 1991 1982 1964 1960 获奖技术 冷冻电子显微镜 超分辨荧光显微技术 核磁共振光谱学确定大分子三维结构 飞秒光谱 PCR 高分辨率核磁共振 (NMR) 光谱学 晶体电子显微镜 x-射线技术研究生物化学的物质的结构 carbon-14技术 获奖人 Jacques Dubochet, Joachim Frank and Richard Henderson Eric Betzig, Stefan W. Hell and William E. Moerner Kurt Wüthrich Ahmed H. Zewail Kary B. Mullis Richard R. Ernst Aaron Klug Dorothy Crowfoot Hodgkin Willard Frank Libby
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。
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
7
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
TRPV1蛋白的三维结构
12
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
13
冷冻电镜+清华大学=CNS
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。 14
• 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
24
附表：生理或医学奖
时间
2013 1979
获奖技术
磁共振成像 计算机辅助断层扫描技术
获奖人
Paul C. Lauterbur and Sir Peter Mansfield Allan M. Cormack and Godfrey N. Hounsfield
25
谢谢观看
冷冻电镜
X射线单晶衍射仪
18
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。 • 冷冻电镜方法跳过超大分子复合物结晶难的这层技术屏障， 以直接解析复合物的溶液状态的结构为目标。
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。
b
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 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）
11
冷冻电镜发展中的里程碑
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". 1
冷冻电镜+清华大学=CNS
Baidu Nhomakorabea
人源剪接体与酵母剪接体的比较
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。
21
未 来
• 冷冻电镜技术革命还将开启巨大的潜在医疗价值。冷冻电镜 技术方法在时间和精度方面的大幅度提高有时会导致不可预 测的重大科学和应用价值。 • 活体病毒结构分析如果可以在分钟级别完成，这将有可能转 化为潜在的医疗检测手段： 从病人体内抽取血样或感染组织细胞，几分钟以后，非常清 晰明了地展现病人在细胞内部结构层面的异常状况，甚至给 出局部的原子结构图，从而给出精准的治疗方案。
Jacques Dubochet
亨德森
用葡萄糖保护 （不能普遍使用）
对生物样品进行玻璃化
迪波什
重要贡献：在真空环境下使 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
10
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。
缺陷
X射线晶体衍射 核磁共振
需要将纯化后的生物样品 进行晶体生长
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
16
冷冻电镜的发展是否意味着X射线晶体学时代 即将结束?
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
17
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。
Fritz Pregl Francis William Aston
23
附表：物理奖
时间 2017 2013 2009 获奖技术 LIGO 探测器 大型强子对撞机 通信光纤传输 获奖人 Rainer Weiss, Barry C. Barish and Kip S. Thorne François Englert and Peter W. Higgs Charles Kuen Kao
15
诺奖级助手终获诺奖
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 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 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。
实至名归
20
未 来
• 如果能结合功能信息，确定不同构像在生物大分子或复合体 行使功能过程中的时间顺序，人们就可揭示生物大分子或复 合体执行功能的结构变化，从而从根本上阐明生物大分子的 工作机制。 • 冷冻电镜技术的突破，把结构生物学从“静态结构生物学” 变成了“动态结构生物学”，把结构和功能真正对应起来。 • 用冷冻电镜直接去看细胞里面的结构。
电子显微镜 —— 一束电子束流
局 限
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
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 寻找新的成像技术
5
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。 • 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 6
Bertram N. Brockhouse Georges Charpak Gerd Binnig and Heinrich Rohrer Kai M. Siegbahn Charles Hard Townes, Nicolay Gennadiyevich Basov and Aleksandr Mikhailovich Prokhorov Karl Manne Georg Siegbahn Guglielmo Marconi and Karl Ferdinand Braun Albert Abraham Michelson
1959
1948 1936
极谱分析方法
电泳和吸附分析 气体中 X 射线和电子的衍射
Jaroslav Heyrovsky
Kaurin Tiselius Petrus (Peter) Josephus
1931
1923 1922
化学高压方法
有机物质的微量分析方法 质谱仪, 同位素,
Carl Bosch and Friedrich Bergius
19
冷冻电镜技术的优点
• 样品需求量小，样品制备快，可重复性高。 • 可以研究天然的、动态的结构。 • 直接解析天然的、溶液态的、动态的（dynamic），甚至 原位(in situ)的结构，从而理解生命分子如何在空间和时 间两个尺度上以活的动态的方式发挥功能。
• 晶体学只能尝试不同的条件获得生物大分子某个或者某些 固定的状态，而且容易出现晶体堆积引起的不真实相互作 用方式。形象地说，冷冻电镜可以制作完整的高清电影， 晶体学只能从电影里截屏。
2005 2000
1994 1992 1986 1980 1964 1924 1909 1907
激光精密光谱学 用于高速和光电电子的半导 体
中子衍射技术 微粒探测器 扫描隧道显微镜 高分辨率电子光谱学 基于脉泽-激光原理的振荡器 和放大器 X 射线光谱学 无线电报 光学精密仪器
John L. Hall and Theodor W. Hänsch Zhores I. Alferov and Herbert Kroemer
科学背景
冷冻电镜 cryo-EM X射线晶体学 X-ray crystallography
核磁共振 NMR
结构生 物学
科技创新驱动学科发展
2
生物大分子结构解析的技术
结构 功能
生物分子的原子排布
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 3
22
附表：化学奖
时间 2017 2014 2002 1999 1993 1991 1982 1964 1960 获奖技术 冷冻电子显微镜 超分辨荧光显微技术 核磁共振光谱学确定大分子三维结构 飞秒光谱 PCR 高分辨率核磁共振 (NMR) 光谱学 晶体电子显微镜 x-射线技术研究生物化学的物质的结构 carbon-14技术 获奖人 Jacques Dubochet, Joachim Frank and Richard Henderson Eric Betzig, Stefan W. Hell and William E. Moerner Kurt Wüthrich Ahmed H. Zewail Kary B. Mullis Richard R. Ernst Aaron Klug Dorothy Crowfoot Hodgkin Willard Frank Libby
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。
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
7
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
TRPV1蛋白的三维结构
12
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
13
冷冻电镜+清华大学=CNS
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。 14