Fold'EM：直接从 Cryo-EM 颗粒推断原子结构

单颗粒冷冻电子显微镜（Cryo-EM）已成为广泛采用的生物分子结构测定技术。传统的 Cryo-EM 计算流程首先结合大量颗粒图像，重建静电势（ESP）图，然后将原子模型拟合到所获得的图中。密度重建具有较高的样本复杂度，需要大量颗粒图像，这使得结构测定成本高、通量低，尤其是在处理异质性样本时。另一方面，随着重建图分辨率下降，下游原子模型构建也变得越来越困难。蛋白质结构预测模型能够为原子结构提供由序列推导的强先验，而实验引导的方法则可以利用这些先验恢复与实验测量结果一致的结构。然而，在 Cryo-EM 中，这类先验通常只在密度重建之后、原子模型拟合阶段才被整合。我们提出 Fold'EM，这是一种推理时框架，将蛋白质生成模型提供的先验直接与 Cryo-EM 颗粒图像相结合，仅凭少量单颗粒图像确定原子模型，从而绕过中间的密度重建步骤，以及在重建图基础上进行的下游模型构建。在合成和实验 Cryo-EM 数据集上，Fold'EM 不仅能够在颗粒取向已知的情况下恢复准确的原子结构，还能在从头推断的设置下，将颗粒取向与结构联合推断出来。在异质性数据集中，Fold'EM 还能够从混合的颗粒群体中解析出不同的构象状态，而无需分别为每种状态重建密度图并构建原子模型。我们相信，这些结果为低样本量条件下的结构测定，以及直接从 Cryo-EM 颗粒中表征低占比构象状态，开辟了新的途径。