$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Цель cryoEM является получение электронно-микроскопических изображений макромолекул на их родном гидратированном состоянии. В силу вложения макромолекулы в остеклованных воды, замороженные увлажненной образец можно сразу же ввел и визуализируется в приборе ПЭМ. Витрификация, методом флэш морозильной (10000 ° С / сек), замерзает образец без кристаллизации воды и гарантирует, что молекулярные перегруппировки при замораживании незначительны. Избыток рассеяния электронов от образца по отношению к окружающей буфера обеспечивает небольшой, но достаточный контраст, чтобы увидеть макромолекулы в отсутствие какого-либо пятна 1. Компьютерной обработки изображений могут быть использованы для воссоздания 3D структуру макромолекулы. Большие макромолекулы в диапазоне ~ 500 kDa- нескольких МДа являются идеальными образцами для cryoEM (на сумму свыше 80% от электронной микроскопии банка данных (EMDB) Записи); они включают в себя белки, белковые комплексы, белок-нуклеиновая кислота, грomplexes, и мембранные белки встроены в бислой. Эти макромолекулы имеют меньше шансов быть кристаллизован (с менее чем 2% записей в базе данных PDB), но это часто бывает, что мелкие куски, решаемые с помощью рентгеновской кристаллографии или ЯМР может быть закреплен в 3D оболочки, созданной cryoEM. С другой стороны, некоторые из самых больших структур, решаемых cryoEM могут быть идентифицированы в полном клетку шлифа ТЕА 2. Таким образом, cryoEM эффективно устраняет размера и разрешения разрыв между субклеточном и атомных структур.
CryoEM лучше отражает нативной структуры макромолекулы, чем более классическим методом негативного окрашивания (NS), где макромолекулы обезвоженной и окружен слоем тяжелых металлов пятно которой область пятна исключения создает сильно контрастирует "негативный" образ 3. В обоих случаях электронный пучок производит 2D проекции изображения макромолекул, называемых частиц, где SHape зависит от ориентации макромолекулы по отношению к электронным лучом. Многие частицы, по меньшей мере, ~ 1000 и без верхнего предела, могут быть проанализированы на компьютере с "анализа одной частицы '(SPA) программного обеспечения, чтобы увеличить отношение сигнал-шум (SNR), хотя усреднения, и найти пространственные параметры ориентации частицы необходимо воссоздать макромолекулы в 3D структуру, проекционный 4-7. NS, с высоким ОСШ, используется для предварительного определения характеристик образцов и генерировать De Novo 3D-реконструкция; его разрешение редко превышает 20 А, что, введенной обезвоживания и размера тяжелых металлов зерна. В общем, для cryoEM 3D структурного определения, 3D-реконструкция с низким разрешением сначала получают от NS, а затем cryoEM используется для уточнения этого низкого разрешения первоначальный карту для дальнейшего изучения макромолекулы в своем родном гидратированном состоянии, чтобы увидеть его внутреннюю структуру, и повысить его разрешение. Нетте, что в случае искажается модель NS (самый распространенный пример выравнивания в результате обезвоживания 8) и частицы cryoEM имели низкую SNR, то искажение может нести в модели cryoEM (артефакта модель смещении, который является общим в низком SNR Наборы данных 9). Структурная деформация может привести к несоответствию между НШ и cryoEM сырья частицами и между сырья частиц cryoEM и соответствующих проекций 3D модели, перпендикулярном направлении уплощения. Модель смещения может решить сам по себе, как 3D-модель подвергается последовательных циклов уточнения. Если это не происходит, что будет обнаружено как отсутствие соответствия между сырья частиц cryoEM и соответствующих проекций 3D-модели, а затем заново модель должна быть построена по данным cryoEM. Хороший подход может быть использование угловой алгоритм реконституции 10, который может дать несколько возможных 3D томов, а затем использовать NS 3D-модель, чтобы выбрать лучший из возможных моделей cryoEMчто будет доработан 11. Даже лучшая стратегия заключается в увеличении SNR набора данных cryoEM (см специальный раздел в обсуждении).
Биохимический качество очищенной макромолекулы имеет максимальную влияние на конечный результат. Макромолекулы, очищают от тканей или выражены в гетерологичных системах, должен иметь высокую степень чистоты и быть конструктивно неповрежденным. Это не должно ни образуют агрегаты не должно разбить. Чтобы определить конкретную конформацию, условия приготовления должны способствовать равномерное конформационные состояния. Для изучения комплексов, оптимально, что их к = находится в диапазоне нМ, в противном случае фиксаторы были успешно использованы для стабилизации более низким сродством взаимодействия 12,13.
Необработанные cryoEM изображения позволяют получать ценную информацию о размерах, общие контуры, агрегатное состояние / мультимеризацию, однородности и внутреннюю структуру macromolecuле. Тем не менее потенциал этой техники значительно усиливается с обработкой изображений. 3D структура показывает общую архитектуру макромолекулы, 3D расположение лигандов и подразделений, конформационных изменений, а также позволяет стыковку атомных структурах, определяемых с помощью рентгеновской кристаллографии или ЯМР. Количество информации в 3D реконструкции ступенчато увеличивается как разрешение увеличивается: в общем 15-20 резолюции А позволяет однозначно определять стыковку атомных структур, в 9-10 Å альфа-спиралей видны как стержней, на 5 Å можно различить бета-листы, а при разрешении 3,5 Å, и лучше это можно построить модель атома 14.
Возможность получения информативных изображений и 3D-реконструкции с использованием SPA от относительно малых количеств образца делают cryoEM привлекательным техники, а 3-5 мкл по меньшей мере 0,05 мг / мл достаточно, чтобы подготовить один ТЕА сетку. Минимальные инструментальные требованиядля cryoEM являются самодельные или коммерческой крио-поршень, электронный микроскоп с ультра высоким вакуумом, записи изображения СМИ и низких доз комплект, крио-держатель с его насосной станции, тлеющего разряда аппарата, и испаритель. Несущественные но в дальнейшем желательные характеристики на ТЕА являются CCD камера (присутствует во всех современных ПЭМ) или прямой электронный детектор, пистолет с полевой эмиссией (FEG), фильтрация энергии и высокая пропускная способность программного обеспечения сбора данных. Это программное обеспечение, в принципе, позволяет собирать десятки тысяч частиц в одной сессии cryoEM 15, однако возросшие потребности в хранении данных и последующее наблюдением потребность времени пост-обработки должны быть приняты во внимание. FEG в сочетании с функцией передачи контраста (CTF) коррекции лежит в основе большинства 3D реконструкции, которые достигли разрешением, достаточным для визуализации альфа-спирали. В тот момент, уровень разрешения также образец зависит от: достижение 10 Резолюция A реже для мембранных белков, тогда как, есливысокого порядка симметрии присутствует, то атомное разрешение более достижимой. Недавнее развитие прямых электронных детекторов позволило атомное разрешение даже для макромолекул с низким (4x) или без симметрии, где качество карт электронной плотности cryoEM соответствует этим происходит от рентгенографических данных 16,17.
Практические примеры, иллюстрирующие возможности метода приведены здесь в течение четырех важных видов макромолекул, где cryoEM имеет неизменную главную роль в их структурного определения. (Я) С их икосаэдра симметрии, что увеличивает набор данных по 60 раз, а их большой размер, что позволяет верующим и воспроизводимые выравнивание, структуры нескольких икосаэдрических вирусов были решены в ближайшее атомным резолюции cryoEM последующим SPA 18. Мы показываем пример класса икосаэдрических вирусов, тем адено-ассоциированные вирусы (AAVs), для которых почти атомные структуры по cryoEM и по cryoEM / рентгеновского HYсуществуют Брод методы 19,20. (II) макромолекул с спиральной структуры включают микротрубочек нитей и вирусы. Их повторяющиеся блоки вдоль оси спирали могут быть проанализированы с помощью более сложной версии SPA, адаптированной к спиральной конфигурации 21. В примере мы покажем, вирус табачной мозаики (ВТМ), РНК-вируса, который было решено атомным разрешением на cryoEM 22. (III) Большие растворимые белки были изучены подробно. Среди них, макромолекулы, образующие симметричные многомерные цилиндры представляют собой повторяющиеся архитектуру часто решается при разрешении субнанометровым 23,24. Здесь мы показываем, изображения ГМЦ, беспозвоночных переносчика кислорода, где гибрид молекулярная модель была создана с cryoEM / рентгеновской кристаллографии гибридных методов 25. (IV) Мембранные белки представляют собой важный класс белков; они составляют около 1/3 белков, кодируемых геном человека, но их трудно охарактеризовать структурно-за сложностей, связанных с TRansmembrane стабилизации домена 26, что составляет менее 1,5% от структур, решаемых любого структурного метода, вместе взятых. Роль cryoEM и 3D реконструкции в их структурного определения иллюстрируется с рецептором Рианодин (RyR), большой эукариотической внутриклеточного Ca 2+ канала важной в сокращении мышц и сигнализации мозга. Самое высокое разрешение cryoEM структуры на сегодняшний день, с разрешением 10 А, выявить вторичную структуру 27.