本稿では、ソフトウェアスイートSPHIREを使用して低温EM画像を処理するためのプロトコルを紹介します。現在のプロトコルは、ほぼ原子分解能を目標とするほぼすべての単一粒子EMプロジェクトに適用することができます。
SPHIRE(高分解能電子顕微鏡用スパークス)は、単粒子電子冷凍顕微鏡(クライオEM)データの半自動処理のための、オープンソースで使いやすいソフトウェアスイートです。ここに提示されたプロトコルは、単一粒子構造決定パイプラインの全ステップを通してユーザを導くことにより、低温EM顕微鏡写真映画から始まる原子に近い解像度の構造を得る方法を詳細に説明している。これらの手順は、新しいSPHIREグラフィカルユーザーインターフェイスから制御され、ユーザーの操作を最小限に抑える必要があります。このプロトコールを使用して、Photorhabdus luminescensからのTc毒素複合体であるTcdA1の3.5Å構造は、9500個の単一粒子からのみ得られた。この合理化されたアプローチは、自然な状態で精製された巨大分子複合体のノイズのない、偏っていない原子モデルを得るために、広範な処理経験と先験的な構造情報なしで初心者ユーザを助けるでしょう。
直接電子検出器技術の開発後、単粒子低温EMの顕著な進歩は現在、構造生物学を改造している1 。 X線結晶学と比較して、この技術は結晶化を必要とせずに少量のタンパク質材料しか必要とせず、同時に試料の純度に関する制約が少なく、しかも原子分解能近くの構造の決定を可能にする。重要なことに、異なる組成物または状態をコンピュータで分離することができ、異なる立体配座の構造決定を前例のない詳細レベルで行うことができる。最近、デノボモデルの構築を可能にする解像度で、挑戦する分子の密度マップを生成することができ、従って、それらの作用様式の深い理解2,3,4,5。
3DEM(3D Electron Microscopy)コミュニティ(https://en.wikibooks.org/wiki/Software_Tools_For_Molecular_Microscopy)で幅広い種類の画像処理ソフトウェアパッケージが利用可能であり、そのほとんどは継続的に開発されています。 EMAN2 6 、IMAGIC 7 、FREALIGN 8 、RELION 9 、SPIDER 10 、およびSPARX 11を含むいくつかの異なるソフトウェアパッケージを用いて、様々な分子量および対称性を示すタンパク質について、ほぼ原子分解能が達成されている。各パッケージは、異なるレベルのユーザー専門知識を必要とし、異なるレベルのユーザーガイダンス、自動化および拡張性を提供します。さらに、いくつかのプログラムは、画像解析のすべてのステップを容易にするための完全な環境を提供する一方、他のプログラムは、既知のrから始まるアラインメントパラメータの改良など、特定のタスクを最適化するように設計されている推論構造。より最近では、APPION 12およびSCIPION 13を含むいくつかのプラットフォームが開発されており、上で列挙した様々なソフトウェアパッケージからのアプローチおよびプロトコルを統合する単一処理パイプラインを提供している。
低温EMの現在の発展に貢献するために、SPARXはSPHIRE(高分解能電子顕微鏡用SPARX)と呼ばれる単粒子分析のための新しいスタンドアロンで完全なプラットフォームに再開発されました。現場の新しい研究者のための技術のアクセシビリティを高め、現代の全自動ハイエンド電子顕微鏡によって生成された大量のデータに対処するために、処理パイプラインは使い易いグラフィカルユーザーインターフェイス(GUI)を使用して、ワークフローの主要なステップを自動化します。さらに、crからの迅速かつ再現可能かつ自動化された構造決定を可能にするための新しいアルゴリズムが追加されましたyo-EM画像。さらに、再現性による検証は、洗練および異質性分析中に生成される共通のアーチファクトを回避するために導入された。
このプログラムは大幅に変更されていますが、簡単なオープンソースコード、最新のオブジェクト指向設計、すべての基本機能のためのPythonインターフェイスなど、その重要な機能が維持されています。したがって、ブラックボックスプログラムに変更されていないため、ユーザーはPythonコードを学習して簡単に修正したり、追加のアプリケーションを作成したり、全体的なワークフローを変更したりすることができます。これは、非標準Cryo-EMプロジェクトに特に便利です。
ここでは、SPHIREのGUIを使用して低温EM画像から原子に近い解像度の密度マップを得るためのプロトコルを示します。生の低温EM直接検出器の映画から密度マップを生成するために必要とされるすべてのステップを詳細に記述しており、特定の巨大分子タイプに限定されるものではない。このプロトコルは、主にnewc現場でワークフローを説明し、処理の重要なステップと可能性のある落とし穴や障害に関する重要な情報を提供します。より高度な機能と、SPHIREの背後にある理論的背景については、他の箇所で説明します。
単粒子低温EMは、近年急速な発展を示し、主要な生物学的意義25の高分子複合体の多数の原子分解構造を送達した25 。現在フィールドに入っている多数の初心者ユーザをサポートするために、我々は単粒子画像解析プラットフォームSPHIREを開発し 、ムービーアライメント、パーティクルピッキング、CTF推定、初期モデル計算、2Dおよび3D異質性解析、高解像度3D精緻化および局所分解能推定およびフィルタリングを含む。
本明細書に記載されたプロトコールは、目的のタンパク質の低温EM顕微鏡写真を用いた3D構造決定、およびSPHIREの独立型GUIによって提供される計算ツールの助けを借りて、3D構造決定の短いガイドとして意図されている。
ワークフローの主な特徴は、再現性による検証の概念に依拠しており、パラメータ調整を必要としないため、手順のうちの1回だけを実行する必要があります。この自動検証メカニズムは、他のソフトウェアパッケージと比較してSPHIREの主な利点です。結果は客観的で再現性があり、最も重要なのは受け入れ可能な計算コストで得られる傾向があるからです。パイプラインは、経験豊富なユーザーが独自の方法でさらに独立した検証と評価を行うための豊富な診断情報を提供します。それにもかかわらず、構造生物学および電子顕微鏡法において少なくとも基本的な理論的背景を有する初心者ユーザは、それ自身のデータおよび自動化された検証手順を用いて原子に近い分解能構造を得ることができるはずである。
しかしながら、原子に近い分解能構造を得ることは、必ずしも直接的なものではなく、その結果は、サンプルの品質および入力データに大きく依存するa。ここに提示されている手順では、十分な数の高品質のアライメントされていない生のEMムービーが利用可能であり、それらの平均が明確に識別可能な均質で無作為に配向された単一粒子を示すと仮定する。一般に、分子の対称性、サイズまたは全体的な形状に関する制限はないが、特にタンパク質が特徴のない球状を有する場合、低分子量が制限因子であり得る。通常、高い点群対称性を有する、より大きく、規則正しい粒子の分析は、それほど厳しいものではありません。したがって、初心者ユーザは、まず特性の良い低温EMデータセットで本プロトコルを実行することを強くお勧めします。 SPHIREチュートリアルデータ(http:/sphire.mpg.de)またはEMPIARサブミットデータセット(https://www.ebi.ac.uk/pdbe/emdb/empiar/)のいずれかをRawムービーと一緒に使用することをお勧めします。
独自のデータを処理する場合、一部のデータセットまたは一部の画像が特定の品質を満たさない可能性が非常に高い基準。この文脈では、ワークフローの主要なステップのためにプログラムによって実行される自動化された安定性および再現性チェックに加えて、ユーザがプロトコルの特定の「チェックポイント」で結果を視覚的に検査することは依然として推奨されており、満足できるものではない。
最初の目視検査は、映画整列( プロトコルステップ2 )およびCTF推定( プロトコルステップ3 )後の顕微鏡写真レベルで行うことができる。得られたモーション補正された平均値は、はっきりと識別され、よく分離された単一粒子を示すはずであり、そのパワースペクトルははっきりと識別可能な等方性のトーンリングを示すべきである。それらが可視である空間周波数は、ほとんどの場合、構造が原則的に最終的に決定されることができる最高解像度を規定する。十分な品質とそのパワースペクトルの動き補正された平均の例は、セクション#最終的な結果に悪影響を与える可能性のある異常画像は、SPHIREのDriftおよびCTFアセスメントGUIツール(http://sphire.mpg.de/wiki/doku.php)の助けを借りて除去することができます。
パーティクルスクリーニングに関して、SPHIREパイプラインの重要なステップは、ISAC( プロトコルステップ5.2)を使用した2D分類です。ここで、ユーザは、プログラムによって自動的に識別された再現可能な2Dクラス平均が、角度空間を準平準にカバーするのに十分な方向の範囲を採用するように制御すべきである。クラス平均の品質が満足できるものではない場合(ノイズの多い画像やぼやけた画像)、再現可能なクラス平均の数が非常に少ない場合は、自動ピッキング品質の改善、データセットのイメージングまたはサンプルの作成の最適化を検討してください。ほとんどの場合、良好な2Dクラス平均が得られないデータセットから信頼性の高い再構成を計算することはできません。高品質2Dクラスの例怒りは「代表的な結果」のセクションに示されています。
自動化された方法でRVIPERを使用して信頼性の高い初期3Dモデルを得るには、少なくとも100のクラス平均が必要です( プロトコルステップ6.1 )。このステップでは、ユーザは、最高品質の平均を選択し、可能な限り多くの異なる方向の粒子を含むべきである。初期モデルの品質は、その後の高解像度3D精緻化の成功のために重要である。
他のソフトウェアパッケージでは、「悪い」粒子8,9を除去するために3D分類が行われることがあります。しかし、SPHIREでは、ISACを使用して2次元分類を行う際に、これらの粒子のほとんどが自動的に削除されます。したがって、再構成および3D変動分析がデータセットの異質性を示す場合にのみ、3Dソーティングの計算集約的なステップを実行することが推奨されます。
最も重要なことは、ユーザーは常に、得られた3Dボリュームを注意深く注意深く検査し( プロトコルステップ9.3 )、それぞれの密度の特徴が公称解像度とよく一致することを確認する必要があります。 <9Åの分解能では、α-ヘリックスに対応する棒状の密度が見えるようになる。 4.5Å未満の分解能では、βシート中の鎖に対応する密度は、通常、十分に分離され、かさばったアミノ酸が見えるようになる。高分解能マップ(<3Å)では、明確な識別可能な側鎖が示され、正確な原子モデルの構築が可能になります。
今日までに得られた結果は、SPHIREの自動再現性試験および最小限の視覚検査の助けを借りて、現在のプロトコールが一般にあらゆるタイプの単一粒子クライオEMプロジェクトに適用可能であることを実証している。各処理工程の代表的な結果は、TcdA1毒素の再構築のために示されているPhotorhabdus luminescens 21であり 、これはほぼ原子分解能に解決されている。同様の品質の密度マップを使用して、デボリューションバックボーントレースと逆数または実空間のリファインメントによる信頼性の高い原子モデルを構築することができ、複雑な分子メカニズムを理解するための強固な構造フレームワークを提供します。
ACCESION CODES:
EM構造および未処理の映画のための座標は、それぞれ、受託番号EMD-3645およびEMPIAR-10089で、電子顕微鏡データバンクおよび電子顕微鏡画像ファイルアーカイブに寄託されている。
The authors have nothing to disclose.
私たちはTcdA1顕微鏡写真を提供してくれたD. Rodererに感謝します。 EMAN2インフラストラクチャの継続的なサポートに感謝します。この作業は、Max Planck Society(SR)と欧州連合(EU)の第七フレームワークプログラム(FP7 / 2007-2013)(付与番号615984)(SRへ)からの資金と、健康R01 GM60635からPAPへ)。
SPHIRE | Max Planck Institute of Molecular Physiology- Dortmund and Houston Medical School, Houston, Texas | http://sphire.mpg.de | |
UCSF Chimera | University of California, San Francisco | http://www.cgl.ucsf.edu/chimera/ | |
Unblur | Janelia Farm Research Campus, Ashburn | http://grigoriefflab.janelia.org/unblur | |
Coot | MRC Laboratory of Molecular Biology, Cambridge | http://www2.mrc-lmb.cam.ac.uk/personal/pemsley/coot/ | |
EMAN2 | Baylor College of Medicine, Houston | http://blake.bcm.edu/emanwiki/EMAN2 | |
Computing Cluster with 1824 cores | Max Planck Institute of Molecular Physiology | Linux Cluster with 76 nodes, each with 2 Processors Xeon E5-2670v3 12C 2.30 GHz and 128 Gb RAM | |
TITAN KRIOS electron microscope | FEI | 300 kV, Cs correction, XFEG | |
Falcon II direct electron detector | FEI | ||
EPU (automated data acquisition software) | FEI | https://www.fei.com/software/epu/ |