本文介绍了一种用于处理通过冷冻电子断层扫描技术成像的流感病毒数据的方案,以及随后对血凝素糖蛋白进行亚断层平均的步骤。该方案涵盖了从图像预处理到最终模型优化的逐步数据处理流程。
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本文介绍了一种用于处理通过冷冻电子断层扫描技术成像的流感病毒数据的方案,以及随后对血凝素糖蛋白进行亚断层平均的步骤。该方案涵盖了从图像预处理到最终模型优化的逐步数据处理流程。
冷冻电子断层扫描是一种用于可视化异质样品的强大工具,其主要应用之一是形态多变病毒的结构表征。近年来,病毒糖蛋白的子断层平均技术已成为直接观察完整病毒颗粒表面这些关键蛋白的方法。其中一个重要靶标是流感病毒的血凝素(HA)糖蛋白,该蛋白密集覆盖在病毒包膜表面,负责流感病毒的受体结合和膜融合过程。尽管已有对流感病毒HA进行子断层平均的报道,但由于冷冻电子断层扫描(cryoET)本身固有的低信噪比,以及分析异质性流感病毒颗粒所需的手动工作量,其分辨率一直受到限制。本文介绍了一种整合多个软件包的冷冻电子断层扫描分析流程,可高效且稳健地分析流感病毒颗粒的断层数据。本方案详细描述了从初始运动校正到最终模型构建的各个步骤,实现从流感病毒颗粒中解析HA的结构。通过该流程,利用来自A/Puerto Rico/8/34(PR8)流感毒株的两套冷冻电子断层扫描数据集,获得了分辨率为6.0 Å的HA结构重建结果。
过去几十年中,冷冻电子断层扫描技术(cryoET)已被用于捕捉蛋白质复合物、病毒、细胞及生物体的瞬时状态。作为冷冻电子显微技术(cryoEM)的一种形式,cryoET 是一种结构生物学方法,其通过对生物样品进行快速冷冻,随后通过倾斜样品从多种角度进行成像1,2,3。在各个角度获取的图像随后通过计算方法对齐至共同的倾斜轴,并重建为断层图像,从而提供三维视图4。
X射线晶体学和单颗粒冷冻电镜技术需要纯化且结构均一的分子,而冷冻电子断层扫描技术(cryoET)则可以直接在分子的天然环境中对其进行成像4。因此,cryoET的一个主要优势在于其能够可视化具有多形性的样品,例如膜性病毒,包括流感病毒5,6,7。cryoET的另一项前景在于其具备跨尺度成像的能力。尽管断层图的分辨率通常难以超过5–10 nm8,但通过亚断层平均技术(subtomogram averaging)——即识别、配准并平均同一颗粒的多个拷贝——在某些生物分子(如核糖体)中可实现接近原子级别的分辨率9,10。然而,仅有限种类的分子能够达到这一分辨率;亚断层平均图的分辨率通常不超过10–15 Å。相比之下,单颗粒冷冻电镜在“分辨率革命”之后,常规可达到3–4 Å的分辨率11。近年来,随着cryoET数据采集通量的提高以及分析软件的进步,已在天然环境中实现了更多生物分子的亚纳米级分辨率结构解析12,13,14,15,16,17,18。
冷冻电子断层扫描(cryoET)的一个常见用途是观察病毒的形态、排列方式和结构。尽管该技术的分辨率低于单颗粒冷冻电镜(cryoEM)或X射线晶体学,但cryoET结合亚断层平均法仍可提供病毒蛋白在其天然环境中行为的信息,并揭示这些蛋白在完整病毒颗粒背景下的组织细节。病毒表面糖蛋白是cryoET研究的常见目标,这些蛋白通常介导宿主细胞的附着与膜融合,且往往是主要抗原以及治疗药物或疫苗的作用靶点。随着近年来cryoET数据处理软件包的不断进步,对这些糖蛋白实现亚纳米分辨率的平均结构重建已变得越来越可行19,20,21,22。其中一个典型例子是血凝素(hemagglutinin, HA),它是流感病毒颗粒表面的主要蛋白。该蛋白不仅负责受体结合和膜融合功能,而且在病毒颗粒表面以极高密度排列,单个病毒颗粒上可分布数百至数千个HA分子5。本文所介绍的流程(图1)整合了多个常用软件包与自主编写的脚本,涵盖了从预处理到流感病毒HA亚断层平均结构模型优化的各个阶段。
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注意:本实验方案所用的示例数据集可通过 EMPIAR-12864 获取,其中包含本方案所使用的两组倾转系列数据。倾转系列数据采集自手动浸入法制备的纯化甲型流感病毒网格样品,物理像素尺寸为 2.09 Å/像素,以确保足够大的视野范围,使每个倾转系列中包含多个病毒颗粒,同时尽可能实现最高分辨率的重构。对于用户自身的数据集,建议以原始倾转电影数据作为工作流程的起始输入。这些数据集的处理与可视化均使用高性能工作站完成。 材料表 列出了本实验方案所使用的硬件和软件。本方案中使用的所有软件包均为开源,可免费下载;安装链接和使用说明详见下文 材料表推荐用于处理冷冻电子断层扫描(cryoET)数据集的工作站应配备至少8核处理器、具有6 GB显存的独立GPU显卡、64 GB内存以及2 TB本地存储空间。
1. 使用 Warp 23 和 IMOD 24 对倾斜序列图像进行数据预处理及冷冻电子断层图重建
conda activate warp_environmentWarpTools create_settings --folder_data path/to/.tif --folder_processing warp_frameseries --output warp_frameseries.settings --extension “*.tif” --angpix 1.04 --gain_path gain_file.mrc --exposure 3.07WarpTools fs_motion_and_ctf --settings warp_frameseries.settings --m_grid 1x1x5 --c_grid 2x2x1 --c_range_max 7 --c_defocus_max 10 --c_defocus_min 4 --c_use_sum --out_averagesWarpTools ts_import --mdocs path/to/.mdoc --frameseries /path/to/frameseries --tilt_exposure 3.07 --min_intensity 0.3 --output tomostarWarpTools create_settings --folder_data tomostar --folder_processing warp_tiltseries --output warp_tiltseries.settings --extension “*.tomostar” --angpix 1.04 --gain_path gain_file.mrc --exposure 3.07 --tomo_dimensions NxNxNWarptools ts_stack --settings warp_tiltseries.settings --angpix 8.35WarpTools ts_import_alignments --settings warp_tiltseries.settings --alignments warp_tiltseries/tiltstack/ --alignment_angpix 8.35WarpTools ts_aretomo --settings warp_tiltseries.settings --angpix 8.35 --alignz 1000 --axis_iter 3 --exe AreTomo_executiveWarpTools ts_ctf --settings warp_tiltseries.settings --range_high 7 --defocus_min 2 --defocus_max 10 --auto_hand 4export WARP_FORCE_MRC_FLOAT32=1WarpTools ts_reconstruct --settings warp_tiltseries.settings --input_data 输入文件名 --angpix 8.35 --dont_invert2. 断层图预处理与颗粒挑选
conda activate isonet_envmkdir tomo_folder
mv tomograms*.mrc tomo_folder/isonet.py prepare_star tomo_folder --output_star tomograms.star --pixel_size 8.35isonet.py deconv tomograms.star --snrfalloff 0.7 --deconv_folder deconvolveconda activate eman_env
e2projectmanager.pycd path/to/tomogramse2spt_boxer_convnet.py --label label_namee2projectmanager.py命令打开 EMAN2 图形界面。3. 颗粒筛选
4. 迭代子断层图平均与分类
WarpTools ts_export_particles --settings warp_tiltseries.setting --input_star pts2star.star --coords_angpix 8.35 --output_star bin4_export.star --output_angpix 8.35 --box 48 --diameter 140 --3drelion_convert_star --i bin4_export.star --o bin4_conv.starhead -n 30 bin4_conv.star >> subset.star & tail -n +31 bin4_conv.star | shuf -n 2000 >> subset.star
mpiexec -n 3 relion_refine_mpi --o init_ref/job001/run --auto_refine --split_random_halves --i subset.star --firstiter_cc --ini_high 20 --dont_combine_weights_via_disc --pool 3 --pad 2 --ctf --particle_diameter 300 --flatten_solvent --zero_mask --oversampling 1 --healpix_order 2 --auto_local_healpix_order 4 --offset_range 14 --offset_step 4 --sym C1 --low_resol_join_halves 40 --norm --scale --j 12 --gpu 0:1 --pipeline_control init_ref/job001mpiexec -n 3 relion_refine_mpi --o Refine3D/job001/run --auto_refine --split_random_halves --i bin4_conv.star --ref init_ref/job001/run_class001.mrc --firstiter_cc --ini_high 20 --dont_combine_weights_via_disc --pool 3 --pad 2 --ctf --particle_diameter 400 --flatten_solvent --zero_mask --oversampling 1 --healpix_order 2 --auto_local_healpix_order 4 --offset_range 16 --offset_step 4 --sym C1 --low_resol_join_halves 40 --norm --scale --j 12 --gpu 0:1 --pipeline_control Refine3D/job001relion_refine --o Class2D/job003/run --grad --class_inactivity_threshold 0.1 --grad_write_iter 200 --iter 200 --i Refine3D/job002/run_data.star --dont_combine_weights_via_disc --pool 3 --pad 2 --ctf --tau2_fudge 2 --particle_diameter 300 --K 20 --flatten_solvent --zero_mask -- strict_highres_exp 14 --center_classes --oversampling 1 --norm --scale --j 24 --skip_align --pipeline_control Class2D/job002。relion_star_handler --i input_file2.star --o output_good_class.star --select rlnClassNumber --minval goodclassnumber -maxval goodclassnumberrelion_star_handler --i "output_good_class1.star output_good_class2.star … output_good_classn.star" --o bin4_keep.star --combinerelion_star_handler --i input_file.star --o output_file.star --combinerelion_image_handler --i bin1_ref.mrc --o bin1_c3.mrc --sym c3MTools create_population --directory refine_m --name ha_finalMTools create_source --name source_1 --population refine_m/ha_final.population --processing_settings warp_tiltseries.settings
MTools create_species --population refine_m/ha_final.population --name ha_todaysdate --diameter 160 --sym c3 --temporal_samples 1 --half1 last_relion_refine/run_half1_class001_unfil.mrc --half2 last_relion_refine/run_half2_class001_unfil.mrc --particles_relion last_relion_refine/run_data.star --mask mask.mrcMCore --population refine_m/ha_final.population --refine_particlesMCore --population refine_m/ha_final.population --refine_particles --ctf_cs5. 模型优化
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为了展示该处理流程的应用(图1),我们将前述工作流程应用于两组共25个断层图像数据集,这些数据来自甲型H1N1流感病毒株(A/Puerto Rico/8/1934)。数据采集参数见表1。图2展示了一个代表性断层图像及形态多样的流感病毒颗粒的局部放大视图。该断层图像中捕获了多种形态的病毒颗粒,其形状从球形到椭圆形或拉长形不等。尽管大多数流感病毒颗粒含有结构有序的M1蛋白和vRNP复合物,但部分病毒颗粒结构较为松散,并缺少关键的结构组分。
从该数据集中,在完成颗粒挑选和筛选后,最初选取了40,995个子断层图用于bin4(8.35 Å/像素)的重构。两个数据集最初在RELION4中以C1对称性和一个涵盖整个HA阵列的宽球形掩模独立处理。对这些子断层图进行了三轮 refinement,随后进行2D分类。分类后,剔除分辨率较差的子断层图和垃圾颗粒;保留的子断层图在bin2(4.17 Å/像素)下重新提取,并将两个数据集合并。bin2子断层...
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对关键病毒蛋白的更深入结构理解可加速针对这些病毒的新型治疗方法的发现。在过去十年中,分辨率革命推动了利用单颗粒冷冻电镜(cryoEM)快速解析高分辨率病毒结构的发展,但该方法仅限于纯化的蛋白质或具有二十面体对称性的无包膜病毒。相比之下,冷冻电子断层扫描(cryoET)能够在三维空间中可视化形态多样的膜性病毒颗粒,但其分辨率有限。本文介绍的流程基于广泛使用的 Warp-RELION-M 流程9,32,并整合了一套自定义脚本与 EMAN2 中基于半自动卷积神经网络的颗粒挑选工具,旨在建立一个端到端的处理流程,实现流感病毒HA蛋白的亚纳米分辨率结构重建。
在冷冻电子断层扫描(cryoET)中,数据采集后选择合适的分析工具组合是一项较为困难的问题,因为在断层图像分析的各个步骤中——从初始预处理到模型构建——均存在大量可用的软件程序。本流程改编自Warp-RELION-M9,
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作者无任何利益冲突需要披露。
作者谨此感谢 Schiffer 实验室的有益讨论。我们还要感谢马萨诸塞大学陈医学院冷冻电镜核心设施在数据采集方面提供的帮助,以及给予我们的支持与建议。本研究工作得到了美国国家普通医学科学研究所资助项目 R01GM143773(资助对象:M.S.)和 R35GM151996(资助对象:C.A.S.)的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| AMD Ryzen Threadripper PRO 5965WX | AMD | https://www.amd.com/en/support/downloads/drivers.html/processors/ryzen-threadripper-pro/ryzen-threadripper-pro-5000wx-series/amd-ryzen-threadripper-pro-5965wx.html | |
| AreTomo 1.3.4 | 加州大学旧金山分校 | https://drive.google.com/drive/folders/1Z7pKVEdgMoNaUmd_cOFhlt-QCcfcwF3_ | |
| EMAN2 2.99.52 | 贝勒医学院 | https://blake.bcm.edu/emanwiki/EMAN2 | |
| IMOD 4.12.27 | 科罗拉多大学博尔德分校 | https://bio3d.colorado.edu/imod/ | |
| 流感分析脚本 | 马萨诸塞大学陈医学院 | https://github.com/jqyhuang/influenza-analysis | |
| IsoNet 0.3 | 加州大学洛杉矶分校 | https://github.com/IsoNet-cryoET/IsoNet | |
| M 2.0.0 | 基因泰克 | https://warpem.github.io/warp/home/m/ | |
| NVIDIA A4000 | NVIDIA | https://www.nvidia.com/en-us/products/workstations/rtx-a4000/ | |
| Open3D | 英特尔实验室 | https://www.open3d.org/ | |
| PHENIX 1.21-5207 | 劳伦斯伯克利国家实验室 | phenix-online.org | |
| RELION 4.0 | 英国医学研究理事会分子生物学实验室 | https://relion.readthedocs.io/en/release-4.0/ | |
| Ubuntu 20.04 | Ubuntu | https://releases.ubuntu.com/focal/ | |
| UCSF ChimeraX 1.6.1 | 加州大学旧金山分校 | https://www.cgl.ucsf.edu/chimerax/ | |
| Warp 2.0.0 | 基因泰克 | http://warpem.github.io/warp/ |
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