二十面體病毒三維重構(gòu)算法研究及應(yīng)用

發(fā)布時(shí)間：2020-05-13 05:58

【摘要】：“結(jié)構(gòu)決定功能”,生物大分子同樣如此。病毒是一種特殊的生物大分子,在自然界的分布非常廣泛,是引起人類、動(dòng)植物傳染病的重要病原體之一,結(jié)構(gòu)解析是其相關(guān)功能研究的基礎(chǔ),因此,病毒的結(jié)構(gòu)研究具有重要的意義。冷凍電鏡技術(shù)在生物大分子結(jié)構(gòu)解析方面具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),主要表現(xiàn)在:研究的樣品范圍廣,通過快速冷凍使樣品更接近其活性狀態(tài);樣品的需求量少;能對(duì)不同構(gòu)象的生物大分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)解析。自2013年的冷凍電鏡“分辨率變革”以來,利用冷凍電鏡單顆粒技術(shù)解析出了眾多生物大分子復(fù)合體結(jié)構(gòu),該技術(shù)已經(jīng)逐步發(fā)展成為生物大分子結(jié)構(gòu)研究的有力工具。2017年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了在冷凍電鏡基本理論、重構(gòu)算法以及實(shí)驗(yàn)方面做出突出貢獻(xiàn)的三位科學(xué)家理查德·亨德森(Richard Henderson)、約阿希姆·弗蘭克(Joachim Frank),雅克·杜邦內(nèi)特(Jacques Dubochet)。病毒顆粒分子量巨大,通常難以結(jié)晶,因此冷凍電鏡單顆粒技術(shù)是解析其結(jié)構(gòu)的最有力工具,有時(shí)甚至是唯一工具。應(yīng)用冷凍電鏡對(duì)病毒結(jié)構(gòu)解析的最大優(yōu)勢(shì)在于病毒衣殼一般具有高對(duì)稱性(如二十面體對(duì)稱性),在重構(gòu)過程中能充分利用其高對(duì)稱性來抑制圖像噪聲、提高重構(gòu)分辨率。正是這一優(yōu)勢(shì),“分辨率革命”之前,病毒重構(gòu)結(jié)構(gòu)的分辨率一直是冷凍電鏡結(jié)構(gòu)解析的標(biāo)桿。然而,病毒顆粒的巨大尺寸導(dǎo)致了三維重構(gòu)時(shí)面臨諸多問題,同時(shí)也成為冷凍電鏡病毒三維重構(gòu)的瓶頸之一。首先,冷凍電鏡數(shù)據(jù)處理的計(jì)算量與圖像尺寸大小呈立方的關(guān)系,病毒顆粒巨大導(dǎo)致了其三維重構(gòu)的計(jì)算量異常大,計(jì)算資源要求高,現(xiàn)有的一些通用結(jié)構(gòu)解析軟件很難處理超大的病毒顆粒;其次,大病毒顆粒在冷凍制樣時(shí)不可避免地出現(xiàn)結(jié)構(gòu)形變,從而破壞了其衣殼的高對(duì)稱,因此其解析的結(jié)構(gòu)分辨率難以提高。因此,設(shè)計(jì)專門針對(duì)病毒結(jié)構(gòu)解析的軟件非常重要。本論文針對(duì)二十面體病毒重構(gòu)算法展開研究,主要工作如下:1)冷凍電鏡二十面體病毒三維重構(gòu)算法研究。病毒三維重構(gòu)算法主要包括取向中心全局搜索與局部精修算法、三維結(jié)構(gòu)重構(gòu)算法。對(duì)于給定的低分辨病毒初始三維模型,全局搜索算法通過窮舉法搜索所有可能的取向和中心,計(jì)算每張病毒顆粒圖像與模板之間的交互等價(jià)線的最小殘差確定顆粒的初始取向和中心,然后應(yīng)用基于直接傅里葉反變換的重構(gòu)方法得到新的三維結(jié)構(gòu)�；诖私Y(jié)構(gòu),局部精修算法運(yùn)用交互等價(jià)線的方法對(duì)所得取向與中心進(jìn)行精修,進(jìn)而重構(gòu)出新的三維結(jié)構(gòu),反復(fù)迭代,不斷提高結(jié)構(gòu)的分辨率直到算法收斂或結(jié)構(gòu)達(dá)到預(yù)期分辨率;2)冷凍電鏡二十面體病毒三維重構(gòu)軟件的開發(fā)及應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于交互等價(jià)線的取向中心測定算法與基于直接傅里葉反變換的三維重構(gòu)算法,構(gòu)成了完整的冷凍電鏡二十面體病毒三維重構(gòu)軟件包,使用Python語言設(shè)計(jì)了軟件操作界面以方便使用。利用設(shè)計(jì)的算法和軟件,應(yīng)用于單純皰疹病毒A、B、C三種類型結(jié)構(gòu)的解析,并通過結(jié)構(gòu)的解析分析三種顆粒衣殼結(jié)構(gòu)的差異和主要蛋白質(zhì)。
【圖文】：

衣殼,二十面體對(duì)稱,三維重構(gòu),蛋白

二十面體病毒三維重構(gòu)算法研究及應(yīng)用衣殼之間還會(huì)有一層病毒特異的內(nèi)膜蛋白（M 蛋白）。病毒衣殼通常是者幾種為數(shù)不多的衣殼蛋白構(gòu)成結(jié)構(gòu)單元，然后由重復(fù)的結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成。從理論上來說，要得到穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，最有效的方式有二十面體對(duì)稱或。實(shí)際上大多數(shù)球形病毒的蛋白衣殼結(jié)構(gòu)是二十面體對(duì)稱的。目前各種括制樣設(shè)備、電子顯微鏡、計(jì)算機(jī)等）都已發(fā)展到非常先進(jìn)的水平，，要硬件來提高分辨率已是十分的困難，而且投資非常巨大。因此，研究二毒衣殼三維重構(gòu)的算法與軟件具有重要意義。

解析結(jié)構(gòu),發(fā)展趨勢(shì),衣殼,分辨率