冷冻电镜技术原理及应用

课程编码：180085071011M3002H 英文名称：Three Dimensional Electron Microscopic Reconstruction of Biological Macromolecules 课时：50 学分：2.50 课程属性：专业课 主讲教师：章新政等

本课程是一门讨论冷冻电镜（cryo-EM）三维重构技术为主的技术研讨课，将以国内外最新的科研进展和文献为基础，分专题讨论冷冻电镜三维重构中的相关技术及最新发展。通过对本课程的系统学习和研讨，旨在使学生基本了解冷冻电镜三维重构在研究生物大分子及复合物三维结构研究方面的优势、特点和前景，熟悉生物大分子冷冻电子显微三维重构的技术方法。

普通生物学、普通物理学

第一章 生物大分子电子显微三维重构概论 3学时 章新政
第1节 结构生物学概述
第2节 电子显微三维重构发展历史
第3节 电子显微三维重构技术方法、应用与前沿
第二章 傅立叶变换 3学时 章新政
第1节 傅立叶级数与傅立叶变换
第2节 离散傅立叶变换与快速傅立叶变换
第3节 振幅与相位
第4节 卷积与相关、卷积定理
第5节 Shannon-Nyquist 采样定理、Nyquist 频率
第6节 傅立叶变换滤波
第三章 电子显微成像原理 6学时 章新政
第1节 电子显微镜基本构造
第2节 电子与样品的相互作用(弱相位近似)
第3节 电子显微成像衬度的产生(振幅衬度与相位衬度)
第4节 几何电子光学与像差
第5节 衬度传递函数、点分辨率、信息极限
第四章 透射电镜成像技术与要素 6学时 朱平
第1节 透射电子显微镜的合轴
第2节 聚焦技术(离焦、过焦、正焦、消像散;相位板技术)
第3节 低剂量成像技术(辐射损伤、剂量、自动化)
第4节 探测器(胶片、CCD、DED;DQE,MTF)
第5节 电子显微照片的质量评价
第五章 生物电镜样品制备技术 3学时 朱平
第1节 生物样品电镜成像的特点
第2节 负染色技术和快速冷冻技术
第3节 冷冻电镜样品制备技术的关键问题和解决方案
第六章 单颗粒三维重构技术 6学时 孙飞
第1节 单颗粒分析技术流程
第2节 颗粒挑选、衬度传递函数矫正和滤波
第3节 二维图像分析与分类(K-means 分类、多级递增分类、自组织图)
第4节 三维重构数学原理与算法
第5节 颗粒取向求解和三维结构精修（等价线方法、随机锥体重构、投影匹配方法）
第6节 三维结构后处理和评估(FSC 曲线、Gold Standard、分辨率、温度因子校正、Tilt Pair Validation)
第7节 统计学方法与三维结构分类
第8节 重构软件介绍
第七章 电子断层三维重构技术 3学时 孙飞
第1节 电子断层三维重构流程
第2节 电子断层数据收集技术
第3节 序列图像的对齐技术(mark-free and mark-based alignment)
第4节 倾转系统的几何参数求解
第5节 三维重构与去噪
第6节 三维体数据分析与平均技术
第八章 电镜三维重构应用 3学时 朱平
第1节 病毒的结构研究
第2节 大分子复合体的高分辨率结构研究
第3节 大分子复合体的动态构象研究
第4节 细胞原位结构研究
第九章 文献阅读与讨论（一） 3学时 朱平
第1节 文献1
第2节 文献2
第3节 文献3
第十章 文献阅读与讨论（二） 3学时 孙飞
第1节 文献1
第2节 文献2
第3节 文献3
第十一章 上机实习（一） 9学时 孙飞
第1节 负染色实习
第2节 常规电镜成像实习
第3节 图像处理实习1
第十二章 上机实习（二） 9学时 章新政
第1节 快速冷冻实习
第2节 冷冻电镜成像实习
第3节 图像处理实习2
第十三章 考试 3学时 朱平
第1节 考试

章新政，中国科学院生物物理研究所研究员，长期从事冷冻电子显微学方面的研究，主要研究方向：（1） 发展冷冻电子显微术方法及其应用展示；（2）利用冷冻电子显微术为主要手段研究病毒的组装、入侵的分子机制。入选中科院青年千人计划，终期评估获得优秀，科技部重点研发项目首席，自然基金委重点项目负责人，在冷冻电镜方法学以及光合作用、病毒结构等相关领域取得了具有创新性的突破性进展，以通讯/共通讯身份在Science、Cell、Nature、PNAS、Nature Communications等杂志上发表20余篇研究论文，曾获得2018年中源协和生命医学创新突破奖。

孙飞，中国科学院生物物理研究所研究员、博士生导师，蛋白质科学研究平台生物成像中心主任、首席专家。主要开展以冷冻电子显微术为主的结构生物学和生物成像技术研究，在国内率先完成了国际一流的生物成像中心设施建设，其团队在生物电镜前沿技术创新、装备开发和科学应用研究方面取得一系列重要成果，发表研究论文150余篇，被引7000多次，H-index 37，授权发明专利20余项。2008年获全国优秀博士论文奖，并荣获第八届“中央国家机关优秀青年”称号；2009年获“贝时璋青年生物物理学家奖”；2012年所带团队荣获中央国家机关“青年文明号”称号；2013年入选国家高层次人才特殊支持计划“万人计划”青年拔尖人才；2017年获中国生物物理学会冷电电子显微镜分会 “杰出贡献奖”；2018年入选为教育部“长江学者奖励计划”青年学者；2019年入选国家高层次人才特殊支持计划“万人计划”中青年领军人才；2020年入选国家杰出青年基金；2020年北京市科学技术进步奖一等奖；2022年中科院“朱李月华”优秀教师奖。朱平，中国科学院生物物理研究所“百人计划”研究员。1990年本科毕业于浙江大学，1993年于西安交通大学获硕士学位，1997年于清华大学获博士学位，后留校任教。1999年赴美国佛罗里达州立大学生物系从事博士后研究，任博士后研究助理，助理研究员，副研究员。2008年起回国进入中科院生物物理研究所工作，任研究组长、博士生导师、“百人计划”研究员。以冷冻电镜（Cryo-EM)和电子断层成像（Electron Tomography）技术为主要手段进行病毒、染色质等生物大分子及其复合物的结构和功能研究。2014年获国家“杰出青年科学基金”资助 ，2014年入选国家“万人计划-中青年科技创新领军人才”。