本文介绍了一种利用负染电子显微镜(EM)获取生物大分子三维(3D)结构的标准化方法。在本实验方案中,我们详细说明了如何采用随机锥形倾斜重建法(RCT),在中等分辨率下获得酿酒酵母外切体复合物的三维结构。
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本文介绍了一种利用负染电子显微镜(EM)获取生物大分子三维(3D)结构的标准化方法。在本实验方案中,我们详细说明了如何采用随机锥形倾斜重建法(RCT),在中等分辨率下获得酿酒酵母外切体复合物的三维结构。
单颗粒电子显微镜(EM)重构技术近年来已成为获取大分子复合物三维(3D)结构的常用工具。与X射线晶体学相比,该技术具有一些独特的优点。首先,单颗粒EM重构无需对蛋白质样品进行结晶,而结晶正是X射线晶体学中的瓶颈环节,尤其对于大分子复合物而言。其次,该技术不需要大量的蛋白质样品。相比晶体学通常所需的毫克级蛋白量,采用负染EM方法进行单颗粒EM重构仅需数微升纳摩尔浓度的蛋白质溶液。然而,尽管对于少数具有高对称性的大分子组装体可获得较高分辨率,但对于许多样品——尤其是缺乏对称性的样品——单颗粒EM通常只能达到相对较低的分辨率(低于1 nm)。此外,该技术还受限于所研究分子的大小,一般而言,负染样品的分子量下限约为100 kDa,冷冻水合样品约为300 kDa。
对于结构未知的新样品,我们通常使用重金属溶液通过负染色法将分子包埋。随后在透射电子显微镜下观察样品,获取分子的二维(2D)显微图像。理想情况下,蛋白质分子具有均一的三维(3D)结构,但在显微图像中呈现出不同的取向。这些显微图像被数字化,并在计算机中作为“单颗粒”进行处理。通过二维对齐和分类技术,将具有相同视角的均一分子聚类成不同类别。对各类别进行平均处理可增强分子二维形状的信号。在为颗粒分配适当的相对取向(欧拉角)后,即可将二维颗粒图像重构为三维虚拟体积。
在单颗粒三维重构中,一个关键步骤是正确确定每个单颗粒的取向。目前有多种方法可用于为每个颗粒分配视角,包括角重构法1和随机锥形倾斜(RCT)方法2。在本实验方案中,我们描述了利用负染电镜结合随机锥形倾斜法获得酵母外切体复合物三维结构的具体操作流程。需要指出的是,我们的电镜实验与图像处理流程遵循RCT的基本原理,但并非实施该方法的唯一途径。我们首先介绍如何将蛋白质样品嵌入厚度与蛋白质分子尺寸相当的甲酸铀酰层中,所用载网为带有连续超薄碳膜的多孔碳支持膜。随后将样品插入透射电子显微镜,采集未倾斜(0度)和倾斜(55度)的显微图像对,用于后续处理并获得酵母外切体的初始三维模型。为此,我们先进行随机锥形倾斜重构,再通过投影匹配优化方法3对初始三维模型进行精细优化。
1. 随机锥形倾斜法的原理

2. 准备覆盖薄碳的载网铜网
原理:我们采用负染色法固定蛋白质样品,用于随机锥形倾斜重构。为了在干燥过程中尽可能保持大分子结构,避免过度压平,我们尝试将蛋白质分子包埋在较深的染色剂中,其厚度约为蛋白质分子的尺寸4。通常,制备负染样品时使用连续碳膜。然而,这种碳膜难以控制蛋白质颗粒周围染色剂的厚度。因此,我们使用自制的载有薄层碳膜(约5 nm厚度)的穿孔碳膜载网制备负染样品。载网上的小孔可形成微小凹坑,能够有效滞留蛋白质溶液和染色液,从而更易于将蛋白质包埋在理想的染色剂厚度中。此外,孔洞上方的薄碳层显著降低了背景噪声。
3. 外泌体复合物的负染色法
原理:可用于负染电镜的重金属染色液有多种,包括醋酸铀酰、甲酸铀酰、磷钨酸、钼酸铵等。不同的染色液具有各自独特的性质。例如,醋酸铀酰可提供较高的颗粒反差,但可能破坏在酸性环境中不稳定的蛋白质复合物。对于此类样品,可选用中性 pH 的磷钨酸作为染色液。我们选择饱和的甲酸铀酰(UF)溶液,因其具有细腻的颗粒性和对分子结构良好的穿透能力。
4. 外泌体复合物的电子显微镜观察
原理:任何配备倾斜台的透射电子显微镜均可用于采集样品的倾斜对图像,以进行断层扫描重建。理论上,样品可倾斜的角度越大,越有利于数据采集。然而在实际操作中,由于样品 holder 的设计以及载网的几何结构限制,最大可用倾斜角度通常被限制在 50 至 70 度之间。本方案仅以 FEI Tecnai-12 电子显微镜为例描述我们的操作流程;对于其他型号的显微镜,需根据具体项目需求和仪器特性对操作进行相应调整。



5. 数据的图像处理
原理:在计算机中进行随机圆锥倾斜(RCT)重构有多种选择和软件包,其中最常用的是 SPIDER5。可在以下网页找到在 SPIDER 中执行 RCT 的基本方案:http://www.wadsworth.org/spider_doc/spider/docs/techs/rancon/recn.html。Shaikh et al.6 的文章中描述了在 SPIDER 中进行 RCT 的详细方案。在本方案的视频版本中,我们结合使用 IMAGIC-57 和 SPIDER;同时,在文本版本中我们还提供了一种仅使用 SPIDER 的替代流程。
子步骤 1:挑选颗粒的倾斜对。

第2小节:未倾斜粒子图像的二维对齐与分类。
第3小节:利用倾斜粒子图像进行三维重构。
第4小节:利用未倾转的颗粒图像优化三维重构。
6. 代表性结果:
利用 RCT 方法,我们从总共 5,000 对倾斜图像中获得了约 50 个外泌体的重构结果(图 6)。在这 50 个三维模型中,可以观察到该复合物以不同取向吸附在载网上,主要呈现两种正交视角。许多重构体积中还可检测到垂直于碳膜表面方向上的压扁假象。我们对这些三维体积进行了对齐与合并,生成了两个正交视角下的初始体积。利用这 5,000 张未倾斜的颗粒图像,我们从两个初始模型均获得了相同的最终外泌体三维重构结果,分辨率约为 18 埃(图 7)。该结构揭示了酵母外泌体的架构,并为 RNA 底物招募通路提供了见解10。

图6. 通过RCT重构获得的50个外泌体复合物的三维模型。

图7. 外泌体复合物经精细优化后的三维重建。
附录:
附录 A. 在 IMAGIC-5 中进行二维比对与分类的脚本文件。
文件:auto_align_i.sh
点击此处获取文件
附录 B. 在 SPIDER 中生成三维重构角度文件的脚本文件。
文件:generate_angular_file.spi
点击此处获取文件
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本文中,我们详细介绍了一种利用负染色电子显微镜技术对外泌体复合物进行样品制备及三维重构的实验方案。通过该方法,我们在无需任何先验结构信息的情况下,采用随机锥形倾斜法获得了外泌体的三维重构图像。随机锥形倾斜法并不要求样品必须均一,但后续的投影匹配精细优化步骤则需要样品具备均一性,才能实现高分辨率的重构结果。
对于负染样品,染色层的厚度对于实现随机锥形倾斜法至关重要。染色过薄会导致在高倾斜角度下分子出现黑色晕圈,从而在重构过程中引入伪影;染色过厚则会降低显微照片中颗粒的信噪比。我们所使用的覆盖有一层薄连续碳膜的载网(带孔碳膜)有助于更轻松地实现最佳染色条件。自制的带孔碳膜载网可用 commercially available 的 Quantifoil 或 C-flat 等商品化带孔载网替代。然而,自制带孔碳膜上不规则分布的孔洞可能有助于在低倍和高倍下对倾斜显微照片进行对齐。
在本实验方案中,应特别注意透射电子显微镜部分,其中必须仔细进行图像对齐,以获得倾斜与未倾斜显微照片的对应区域,并使倾斜与未倾斜显微照片之间的重叠区域最大化...
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未声明任何利益冲突。
作者感谢加州大学伯克利分校Nogales实验室成员在建立初始方案过程中提供的帮助,以及耶鲁大学Wang实验室成员在完善全部方案过程中给予的支持。我们同时感谢耶鲁大学医学院冷冻电镜设施和高性能计算中心工作人员提供的协助。HW是史密斯家族奖获得者。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 聚乙烯醇缩甲醛树脂 | Electron Microscopy Sciences | 63450-15-7 | |
| 甲酸铀酰 | Electron Microscopy Sciences | 22451 | |
| Superfrost 显微镜载玻片 | Thermo Fisher Scientific, Inc. | 4951F-001 | |
| 400 目常规网格 | SPI Supplies | 3040C | |
| 碳镀膜仪 Auto 306 | Edwards Lifesciences | ||
| Tecnai-12 透射电子显微镜 | FEI | ||
| 辉光放电器 | BAL-TEC | 溅射镀膜仪 SCD 005 |
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