最大熵方法在冷冻电镜单颗粒技术中的应用

随着冷冻电镜分辨本领的进一步提高，相关算法和软件的不断改进，冷冻电镜单颗粒技术已成为解析生物大分子三维结构的重要手段之一。当今，冷冻电镜单颗粒技术能获得生物大分子3-4?分辨的结构，并能在此基础上独立构建出蛋白质分子的全原子结构模型，然而，由于现有的分辨率还无法看到主链上的羟基，因此很难构建出精确的原子结构模型。目前，最好的冷冻电镜能获得信号分辨率超过3?的照片，因此有望通过算法和程序的改进进一步提高分辨率。本项目拟把最大熵方法运用于单颗粒技术的数据处理：1)对冷冻电镜的三维结构进行外推，通过已获得的结构信息获取更高分辨的信息；2)对照片中单颗粒的质量进行评估、剔除不完整及变形的颗粒；3)对照片中不同构象状态的单颗粒进行分类，研究完整的生物学过程等。通过本研究工作，我们期望进一步挖掘现有硬件的潜力，突破冷冻电镜三维重构3?的分辨水平，能分辨出主链上一部分羟基，构建出更精确的原子结构模型。

随着电子显微镜分辨率的不断提高、相关程序和算法的不断完善，冷冻电镜单颗粒技术已发展成为解析生物大分子高分辨结构的重要手段之一。本项目的主要目的是把最大熵方法应用于冷冻电镜单颗粒三维重构，通过改进算法和程序提高生物大分子三维重构分辨率。经过一年的努力，本项目取得了如下两项主要成果：. 1) 把信息论中的最大熵原理应用于冷冻电镜三维重构数据外推，推导出了冷冻电镜三维重构数据外推的基本公式，并且编写了应用程序。三维重构结果表明该算法和程序具有较好的效果。. 2) 应用冷冻电镜单颗粒技术和我们发展的新算法和程序求解了腺病毒Ad5F35近原子分辨(4.2Å)的三维结构，验证了新算法和程序的可靠性。并且基于三维重构密度图得出了一些具有生物学意义的结果：a) 构建了Ad5F35衣壳体的全原子结构模型，进一步分析了三次对称的fiber同五次对称的penton base之间的相互作用；b) 证实了腺病毒的fiber与penton base之间的相互作用是保守的；c) 发现了fiber shaft的底部是有fiber tail的C端构成而非fiber shaft的N端；d) 提出了一种短fiber的腺病毒同细胞受体之间相互作用的模型。