国家蛋白质科学研究设施设计与研制成果

6.1.1　科学目标

集成化电镜系统的建立，是为了应对结构生物学的现状和发展前景，目的在于迅速提高我国在冷冻透射电镜技术领域和三维重构技术领域的能力，将我国的蛋白质科学提高到一个新的发展水平。

冷冻透射电镜及相关的三维结构重构技术，是与X射线晶体学、核磁共振并列的结构生物学研究的重要手段。冷冻透射电镜技术的优点在于：样品不需要以晶体的形式存在；快速冷冻技术可以保存样品的真实自然结构；适合大分子复合物的中间态和瞬间结构研究；研究对象的尺度范围宽，从生物大分子到亚细胞和细胞水平。从某种意义上讲，冷冻透射电镜技术能够很好地解决其他生物学结构方法所不能解决的科学问题。

冷冻透射电镜的用途主要有3个方面。一是单颗粒三维重构，可用来获得结构上具有同一性、分子量在100 kDa以上的大分子或者大分子复合物的三维结构。目前最高分辨率已达到原子分辨率级别，可直接进行分子模型的构建。二是电子晶体学，可用来从二维晶体收集电子衍射数据，以解析三维结构。这在膜蛋白的结构解析中有重要应用，目前最高分辨率已达到0.19 nm。三是电子断层重构，用来获得结构不具备均一性的大分子复合物、细胞器或者细胞的三维结构，目前的分辨率已在纳米量级。

以蛋白质和核酸为代表的大分子，在生命体的新陈代谢过程中起重要作用。生物大分子的功能，依赖于各种瞬时或稳定的大分子复合物的功能性组装及有序分布。冷冻透射电镜技术，包括单颗粒三维重构和电子断层重构，在各种形式大分子复合物以及细胞器和细胞水平的结构研究中，具有广泛的应用。而且电子晶体学在膜蛋白的结构解析上，也具有重要的应用前景。人类基因组测序的结果显示，30%左右的序列为膜蛋白编码序列。在目前的药物研发中发现，有近70%的药物靶点为膜蛋白。但是，由于膜蛋白被疏水基团包裹，关于膜蛋白表达、纯化、结晶或核磁共振的研究，都面临很大的挑战。从纯化的膜蛋白中获得二维晶体，再利用冷冻透射电镜，获得电子衍射图谱和透射图像，以进行膜蛋白的结构解析，就成为一个很好的别样选择。(www.xing528.com)

以电子断层重构为代表的冷冻透射电镜技术，为生物物质从离体（in vitro）到活体（in vivo）的研究，提供了手段。处于亚细胞和细胞水平的结构研究，是结构生物学与细胞生物学相融合的一个界面，目前正得到更多的重视和广泛的应用。

集成化电镜分析系统，主要运用冷冻电子显微镜对大分子量（＞100 kDa）的分子复合物和蛋白质机器的三维结构进行解析，分辨率可达到约0.3～0.4 nm甚至更高，同时在膜蛋白结构解析方面也具有很大潜力。它还可以原位测定细胞中的生物结构，获得这些结构与周围环境联系的信息，以分析其在生物信息传递中所起的作用。

6.1.2　建设目标

首先从目前我国生命科学研究的大趋势来看，分子医学研究迫切需要建立高分辨冷冻电镜研究平台，以研究与重大疾病相关的蛋白质分子和病原体结构，及其与细胞的相互作用，如SARS病毒、肝炎病毒、禽流感病毒、HIV等。由于这些病毒三维结构的特殊性，用其他手段研究起来比较困难，但是可以利用冷冻电镜的独特技术优势加以研究。其次，我国的结构分子生物学研究迫切需要建立这样的研究平台，以研究分子量巨大的生物大分子复合物结构，这些结构难以用现有的结构生物学研究手段（X射线晶体学、核磁共振）来加以研究。第三，我国的细胞生物学迫切需要建立这样的平台，以研究生物大分子在细胞内的定位和结构，以及细胞器乃至整个细胞的三维结构。用常规的电子显微镜所观察到的细胞，是化学固定脱水干燥后的结构，其天然精细结构通常遭到破坏；而运用冷冻电镜技术，可以观察细胞含水状态下的超微结构，几乎接近于天然存活状态，可以测定细胞真实的精细结构。