冷冻电镜三维重构技术前沿研讨课

课程编码：180085071011P4003H 英文名称：Discussion on Cryo-EM 3D Reconstruction Technology 课时：20 学分：1.00 课程属性：研讨课 主讲教师：朱平

本课程是详细讲解冷冻电镜技术原理和应用的研究生课程。自获得2017年诺贝尔化学奖以来，冷冻电镜技术已经成为结构生物学研究的核心技术手段之一，是从事结构生物学研究和生物医药开发的必备技术，是开展相关领域工作的研究生的必学内容。本课程从电子显微镜的构造和基本成像原理开始，系统讲述冷冻电子显微镜的发展历史、冷冻电镜样品制备技术、冷冻电镜基本理论、三维重构原理、图像处理基本理论、冷冻电镜单颗粒分析技术和冷冻电镜电子断层重构技术等理论内容，以及冷冻电镜技术在生物大分子复合体结构功能研究中的应用。通过本课程学习，学生可以深入理解冷冻电镜技术的原理、特点、优势和应用场景，掌握其中的基本概念、要点和流程，为后面利用冷冻电镜技术开展相关生物大分子复合体的结构研究工作奠定理论和实践基础。

结构生物学导论、线性代数、傅里叶级数、普通物理学（光学）、Matlab

第一章 生物大分子电子显微三维重构概论 3.0学时 朱平
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 3.0学时 朱平
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 6.0学时 朱平
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 6.0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 3.0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 6.0学时 朱平
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 3.0学时 朱平
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 3.0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） 3.0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） 3.0学时 朱平
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） 9.0学时 朱平
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） 9.0学时 朱平
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 3.0学时 朱平
第1节 考试

朱平，生物物理研究所/生命学院