High-Resolution CryoEM Reconstruction of Large Complexes
大型复合物的高分辨率冷冻电镜重建
基本信息
- 批准号:10813503
- 负责人:
- 金额:$ 8.53万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:
- 财政年份:2006
- 资助国家:美国
- 起止时间:2006-05-01 至 2026-08-31
- 项目状态:未结题
- 来源:
- 关键词:AchievementActinsAddressAmino AcidsAreaBindingBiologicalBiological ProcessBiomedical ResearchCell physiologyCellsCellular StructuresChemicalsClassificationCodeComplementComplexComputer ModelsComputer softwareComputing MethodologiesCryoelectron MicroscopyCytoskeletal FilamentsDNADNA VirusesDataDevelopmentDiseaseDouble Stranded DNA VirusDouble Stranded RNA VirusDrug DesignElectronsErythrocytesFlagellaFundingGenetic TranscriptionGenomeGeometryGoalsHeartHumanImageIn SituIndividualInvestigationLearningLipidsMacromolecular ComplexesMaintenanceMapsMass Spectrum AnalysisMembrane ProteinsMethodsModelingMolecularNucleic AcidsOutcomePolymersProcessProteinsProteomeProteomicsRNARNA VirusesResearch PersonnelResistanceResolutionRodSchemeSourceStructureTechniquesTestingTherapeutic InterventionTrainingTranscription ProcessVaccinesValidationViralViral GenomeVirusVirus AssemblyVirus ReplicationVisualizationX-Ray Crystallographybacteriocinbiological systemscell motilitycomputerized data processingconvolutional neural networkdeep learningdensitydesigngenetic informationnanomachineneural networknew therapeutic targetnon-Nativenovelnucleic acid structureparticlepolymerizationprogramsprotein complexprotein purificationprotein transportquantumrational designreconstructionroutine practicesmall moleculestructural biologysuccessthree dimensional structuretooltransmission process
项目摘要
PROJECT SUMMARY
Overall, this project aims to develop methods to efficiently determine, at atomic-resolution, three-dimensional
(3D) structures of large, native, symmetry-mismatched, locally dis-ordered or polymorphic biological complexes
through cryo electron microscopy (cryoEM). The past funding cycle of this project (2014-2019) has witnessed a
drastic transformation of the field of structural biology, popularly referred as “the cryoEM revolution”. Today,
single-particle cryoEM has arguably become the default choice for structural biology. The funding from this
project has enabled the PI’s group to contribute to this transformation in multiple fronts: we have developed
novel imaging and processing methods and validated these methods by determining in situ structures of
important—and sometimes fundamental—biological processes in large icosahedral and helical complexes, as
well as atomic models of purified protein-nucleic acid complexes and membrane proteins that have been
resistant to previous x-ray crystallography and NMR efforts. We hypothesize that combining electron counting
(i.e., quantum) capabilities with cryoEM can advance the field by determining atomic models of native cellular
complexes, viral genome packaging and transcription in situ and transiently stable catalytic intermediates.
In the last funding period we aimed to, and succeeded in, derive atomic models using our cryoEM
method alone for larger complexes, particularly those in icosahedral and helical viruses. Now, this renewal
application aims to develop an integrative proteome cryoEM method for atomic structures of cellular
complexes in their native, unpurified, and functional states. We will also use viruses as tools to address
fundamental questions concerning genome packaging, compaction, supercoiling, replication and transcription.
We will continue developing novel computational methods for sub-particle refinement and nucleic acid
modeling, specifically cryoID, an integrative software package that allows near-atomic resolution cryoEM
structures from many complexes in enriched cellular milieu to be determined, identified, and atomically
modeled (Aim #1); sub-particle reconstructions and refinement for in situ atomic structures in large deformable
or intrinsically structurally heterogeneous complexes such as those in large enveloped viruses and native
cellular complexes (e.g., helical assemblies) (Aim #2); modeling genome structures in both RNA and DNA
viruses, as well as cellular transcriptional/replicative complexes (Aim #3); and validate these new methods for
atomic structure determination by application to red blood cell proteome, translocon bacteriocin nano-machines
and membrane protein complexes, helical filamentous cellular (e.g., actin and axoneme) and viral assemblies
and genome structures inside a number of ssRNA, dsRNA and dsDNA viruses (Aim #4).
A successful outcome of this renewal project will further advance cryoEM in structural studies of large
complexes and will have great impact on many areas of biomedical research. This achievement will push the
current limits of cryoEM and complement other structural methods, particularlythe X-ray crystallography of
purified proteins and NMR of small molecules in solutionmethods of highly purified molecules.
项目概要
总体而言,该项目旨在开发方法,以原子分辨率有效确定三维
大型、天然、对称不匹配、局部无序或多态生物复合体的 (3D) 结构
通过冷冻电子显微镜(cryoEM),该项目过去的资助周期(2014-2019)非常引人注目。
结构生物学领域的巨大变革,通常被称为“冷冻电镜革命”。
单粒子冷冻电镜可以说已成为结构生物学的默认选择。
该项目使 PI 团队能够在多个方面为这一转变做出贡献:我们开发了
新颖的成像和处理方法,并通过确定原位结构来验证这些方法
大型二十面体和螺旋复合体中重要的(有时是基本的)生物过程,如
以及纯化的蛋白质-核酸复合物和膜蛋白的原子模型
我们一直在努力将电子计数结合起来。
冷冻电镜(即量子)功能可以通过确定天然细胞的原子模型来推进该领域的发展
复合物、病毒基因组包装和原位转录以及瞬时稳定的催化中间体。
在上一个资助期间,我们的目标是使用我们的冷冻电镜导出原子模型,并成功地获得了该模型
单独的方法适用于较大的复合物,特别是二十面体和螺旋病毒。现在,这种更新。
该申请旨在开发一种用于细胞原子结构的综合蛋白质组冷冻电镜方法
我们还将使用病毒作为解决问题的工具。
有关基因组包装、压缩、超螺旋、复制和转录的基本问题。
我们将继续开发亚颗粒细化和核酸的新型计算方法
建模,特别是cryoID,这是一个集成软件包,可实现近原子分辨率的cryoEM
丰富的细胞环境中许多复合物的结构待确定、鉴定和原子化
建模(目标#1);大变形中的原位原子结构的亚粒子重建和细化
或本质上结构异质的复杂包膜,例如大型病毒和天然病毒中的包膜
细胞复合物(例如螺旋组装体)(目标#2);对 RNA 和 DNA 中的基因组结构进行建模
病毒以及细胞转录/复制复合物(目标#3);并验证这些新方法
应用于红细胞蛋白质组、易位细菌素纳米机器的原子结构测定
和膜蛋白复合物、螺旋丝状细胞(例如肌动蛋白和轴丝)和病毒组装体
以及许多 ssRNA、dsRNA 和 dsDNA 病毒内部的基因组结构(目标#4)。
该更新项目的成功将进一步推动冷冻电镜在大型结构研究中的应用。
这一成果将推动生物医学研究的许多领域的发展。
冷冻电镜的当前限制并补充其他结构方法,特别是 X 射线晶体学
纯化蛋白质和溶液中小分子的 NMR 高度纯化分子的方法。
项目成果
期刊论文数量(48)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
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