近日，蘭州大學信息科學與工程學院路永鋼教授課題組與蘭州大學生命科學院副教授朱莉以及美國歐道明大學計算機科學系何靜教授合作，提出了一種基于球面嵌入的蛋白質(zhì)三維重構(gòu)算法，有助于從冷凍電鏡圖像中重構(gòu)出更加準確的蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)。相關(guān)成果在線發(fā)表于《通訊生物學》。
蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析是分子生物學的核心課題，對于人們認識蛋白質(zhì)的功能，理解疾病的發(fā)病機理，進行藥物設計和疾病治療等都具有非常重要的意義。近年來，冷凍電鏡技術(shù)在測定生物大分子結(jié)構(gòu)方面取得了突破性的進展。
單顆粒分析是冷凍電鏡測定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的主流技術(shù)。在利用冷凍電鏡獲得大量同一種蛋白質(zhì)分子的二維投影圖像后，該技術(shù)利用三維重構(gòu)算法可以計算出蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)。其中，蛋白質(zhì)三維重構(gòu)的核心問題是估計每個投影圖像的投影方向，其本質(zhì)是一個非凸優(yōu)化問題。現(xiàn)有的算法大多是基于模板匹配，或者是基于期望最大化的參數(shù)估計算法，容易受到初始參數(shù)選取的影響，可能會重構(gòu)出錯誤的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。
為了提升三維重構(gòu)結(jié)果的可靠性，路永鋼課題組在該研究工作中充分利用了全體投影圖像在投影方向以及等價線方面的全體一致性約束，通過兩次球面嵌入獲得了在三維空間中滿足全體投影圖像一致性約束的投影方向估計，進而計算出了蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)。這種方法的特點是不需要初始模板，盡量從數(shù)據(jù)內(nèi)部挖掘約束條件，對初始化依賴較小，因而提高了重構(gòu)結(jié)果的可靠性和準確性。另外，路永鋼課題組還提出了新的投影方向表示方法，利用兩個互相垂直的向量來表示投影方向，并且討論了這種表示和通常使用的歐拉角表示的等價性。
實驗結(jié)果證明了該論文提出的球面嵌入算法可以更準確地估計投影方向，并且在噪聲比較高的情況下，該算法能大大降低投影角估計的誤差。三維重構(gòu)的結(jié)果也證明了利用該算法在不同噪聲水平及不同數(shù)量的投影圖像上進行重構(gòu)時都具有一定的優(yōu)越性，得到的重構(gòu)結(jié)果具有更高的分辨率，也更加接近于真實結(jié)構(gòu)。
關(guān)鍵詞： 基于球面嵌入 蛋白質(zhì)三維重構(gòu)算法 研究獲進展 蛋白質(zhì)功能
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