冷凍電鏡——「諾獎助手」終獲諾獎

榮獲諾貝爾化學獎

2017年10月4日瑞典皇家科學院決定頒發2017年諾貝爾化學獎給予Jacques Dubochet（University of Lausanne, Switzerland），Joachim Frank（Columbia University, New York, USA）和Richard Henderson（MRC Laboratory of Molecular Biology, Cambridge, UK），以表彰他們在「開發冷凍電子顯微鏡（cryo-EM）用於溶液中生物分子的高解析度結構測定」方面的貢獻。

圖片是理解微觀世界的關鍵。科學突破往往建立在對人眼不可見物體的成功可視化之上。然而，生物化學相關圖譜長期以來一直空白，因為可用的技術難以產生大量生命分子的圖像。冷凍電子顯微鏡改變了這一切。研究人員現在可以將從未見過的生物分子中間運動過程可視化，這對生物化學基礎研究和製藥的發展至關重要。

Joachim Frank開發了一種圖像處理方法，其中電子顯微鏡的模糊二維圖像被分析和合併，合成出明顯可辨的三維結構；

Jacques Dubochet在20世紀80年代初成功將水玻璃化——他發明一種方法，可以非常迅速地冷卻水，使其無法結晶便固化在生物樣品周圍，使生物分子即使在真空中也可保持其自然形狀。

由於他們的貢獻，冷凍電子顯微鏡技術得以基本形成，並隨著不斷地改進而提高性能。2013年達到理想的原子解析度，研究人員現在可以定期發布生物分子的三維結構。在過去幾年中，科學文獻充滿了從抗生素抵抗的蛋白質到Zika病毒表面的各種圖像。生物化學正在面臨爆炸性的發展，一切都是一個令人興奮的未來。

三維圖像分析技術（來源：http://Nobelprize.org）

發展歷程

在過去的幾十年里，冷凍電鏡技術從無到有，經歷了一個波折的發展過程，除了今年獲諾獎的三位，還有很多科學家在此嘔心瀝血，尤其是Bob Gleaser，作為冷凍電鏡技術的早期開拓，也被認為理應獲得諾貝爾獎。在此簡單梳理一下冷凍電鏡發展歷程中的大事記：

1968年 DeRoszier 和 Klug 第一個三維重構誕生

1974年 Taylor 和 Glaeser 推動冷凍電鏡的誕生

1982年 Dubocher 等人發展玻璃態樣品製備方法

1987年 Radermacher 等人提出單顆粒分析技術：隨機圓錐傾斜法，Van Heel推動單顆粒技術提出角重建法

1994年 Penczek，Frank等人發展投影匹配演算法

1997年 Bottcher，Crowther和Conway，McDowell等人發表優於10?解析度的病毒結構

1998年 Sigworth提出二維最大概然法

2008年 周正洪利用單顆粒技術解析出衣殼病毒近原子分辨結構

2012年 Grigorieff等人利用直接探測信號相機做移動矯正，發明直接探測技術

2013年 Scheres等人得到核糖體的近原子分辨結構

2015年 Scheres和施一公解析出小於200KD的全新蛋白主鏈結構

而現在，冷凍電鏡技術在生物探索領域裡越發重要，以至於被科學家們稱為「諾獎助手」，正是由於技術突破，為微觀生物領域打開一扇大門，去掉了之前掩蓋其上的朦朧面紗，使得科學家們現在可以大踏步地向微觀生物科學領域急速進軍，獲得今年的諾貝爾獎也是實至名歸，眾望所歸。

冷凍電鏡在中國

中國開始對冷凍電鏡技術的研究相對較晚，但是在近年時間裡，在中國發展卻很快，逐步成為生物及生命科學領域研究的主流手段，其幫助下的科研成果呈現井噴式發展，其中尤其以以施一公為代表的清華大學成果最具代表。可以說，在冷凍電鏡及其研究相關領域，中國正在逐步從跟跑者努力向領跑者的身份發起衝刺。

有人提過一個公式：冷凍電鏡+清華大學=CNS（cell、Nature、Science），這是在總結近年來清華大學在使用冷凍電鏡技術助力科研方面的成果總結，具體來說：

去年7月，施一公教授研究組在Science上就剪接體的結構與機理研究發表兩篇長文，題目分別為「Structure of a Yeast Activated Spliceosome at 3.5 A Resolution」和「Structure of a Yeast Catalytic Step I Spliceosome at 3.4 A Resolution」。研究報道了釀酒酵母剪接體激活和剪接反應催化過程中兩個重要狀態的剪接體複合物近原子解析度的三維結構，闡明了剪接體的激活和催化機制，從而進一步揭示了前體信使RNA剪接反應的分子機理。

顏寧教授在去年5月、8月和9月相繼在Cell、Nature和Science上發表了3篇論文。發表於Cell上的論文中，顏寧研究組與中國疾控中心、中科院微生物所高福院士研究組合作，首次報道了人源膽固醇轉運蛋白NPC1的4.4埃解析度冷凍電鏡結構，並探討了NPC1和NPC2介導細胞內膽固醇轉運的分子機制；同時還報道了NPC1與埃博拉病毒GPcl蛋白複合體6.6埃解析度的冷凍電鏡結構，為理解NPC1介導埃博拉病毒入侵的分子機制提供了分子基礎。在線發表於Nature上的研究中，顏寧研究組報道了首個真核電壓門控鈣離子通道的近原子解析度三維結構，為理解具有重要生理和病理功能的電壓門控鈣離子和鈉離子通道的工作機理奠定了基礎。顏寧研究組與加拿大卡爾加里大學陳穗榮研究組合作在Science上在線發表研究長文，揭示了目前已知分子量最大的離子通道Ryanodine受體RyR2亞型處於關閉和開放兩種狀態的三維電鏡結構，探討了RyR2的門控機制。

去年5月該校高寧研究組與合作者在Nature在線發表了題為「Diverse roles of assembly factors revealed by structures of late nuclear pre-60S particles」的研究論文。文章報道了位於酵母細胞核內的一系列組成上和結構上不同的核糖體60S亞基前體複合物的冷凍電鏡結構，確定了近20種裝配因子在核糖體上的結合位置及其原子結構。該校生命科學學院高寧研究員和美國卡內基梅隆大學John L. Woolford Jr教授是這一研究的共同通訊作者。

去年9月，清華大學研究小組在Nature上發表了最新論文，首次報道了迄今為止解析度最高的線粒體呼吸鏈超級複合物—呼吸體的冷凍電鏡三維結構。清華大學楊茂君教授和高寧研究員是該研究的共同通訊作者。

我國科學家在90年代開始冷凍電鏡技術的研究，起步比較晚，經過各方面的努力，當前我國的冷凍電鏡研究已經取得了一定的成績，與國際先進水平的差距逐漸縮小。2008年國內當時只有一兩個課題組從事冷凍電鏡應用研究，而到今年粗略估計已有近20個課題組。清華大學、北京大學、生物物理所、北京生命科學研究所、計算技術研究所、國家蛋白質科學中心、中科大、浙大、上海科技大學、湖南師範大學等都有老師在做這方面的研究，下圖是國內冷凍電鏡主要研究人員分布：

中國冷凍電鏡主要研究人員分布（來源：Protein Science）

近年中國在冷凍電鏡領域的主要成果（來源：Protein Science）

清華大學施一公院士於浙江大學冷凍電鏡中心成立慶典儀式上致辭（來源：科學網）

今年5月，浙江大學自籌資金6000萬建立冷凍電鏡中心，一舉成為目前國際上設備配置最齊全、技術覆蓋面最廣泛的冷凍電鏡中心之一。到場參加浙江大學冷凍電鏡中心成立慶典儀式的施一公當時發言稱，冷凍電鏡的發展像是一場猛烈的革命。「就目前發展前景來看，冷凍電鏡技術是可與測序技術、質譜技術相提並論的第三大技術！」而中國科學界，正在這場革命里一路高歌猛進，一往無前。

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