Compressed sensing for electron cryotomography and high-resolution subtomogram averaging of biological specimens.
Compressed sensing for electron cryotomography and high-resolution subtomogram averaging of biological specimens.
复制标题
DOI：
10.1016/j.str.2021.12.010
复制
发表时间：
2022-03-03
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
Collins SM
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Böhning J;Bharat TAM;Collins SM
冷冻电子断层扫描（cryo-ET）和亚断层图像平均（STA）允许直接可视化和生物大分子在其天然细胞环境中的结构研究，在原位。通常，断层图像中的低信噪比、细胞内的低颗粒丰度以及典型冷冻ET工作流程中的低通量严重限制了可获得的结构信息。为了帮助减轻这些限制，在这里，我们应用压缩感知方法，使用三维二阶全变分（CS-TV 2）断层重建。我们发现CS-TV 2增加了断层图像的信噪比，增强了大分子的直接可视化，同时保留了高分辨率的信息，直到二级结构水平。我们表明，特别是小数据集，CS-TV 2允许STA地图的分辨率的提高。我们进一步证明了CS-TV 2算法适用于细胞标本，从而提高了断层图像中分子细节的可见性。这项工作突出了基于压缩传感的重建算法在冷冻ET和原位结构生物学中的潜力。压缩感知（CS-TV 2）用于冷冻ET，使用3D二阶全变差CS-TV 2增加信号对比度，同时保留高分辨率信息改进了小数据集CS-TV 2重建的子断层图像平均值增加了细胞标本CS-TV 2重建的对比度和细节。将利用3D二阶全变分的压缩感测（CS-TV 2）重建算法应用于冷冻ET数据。该方法以纯化的细胞生物标本为基准，表明CS-TV 2增加了断层图像内的对比度，同时保留了高达二级结构水平的高分辨率信息。
Cryoelectron tomography (cryo-ET) and subtomogram averaging (STA) allow direct visualization and structural studies of biological macromolecules in their native cellular environment, in situ. Often, low signal-to-noise ratios in tomograms, low particle abundance within the cell, and low throughput in typical cryo-ET workflows severely limit the obtainable structural information. To help mitigate these limitations, here we apply a compressed sensing approach using 3D second-order total variation (CS-TV2) to tomographic reconstruction. We show that CS-TV2 increases the signal-to-noise ratio in tomograms, enhancing direct visualization of macromolecules, while preserving high-resolution information up to the secondary structure level. We show that, particularly with small datasets, CS-TV2 allows improvement of the resolution of STA maps. We further demonstrate that the CS-TV2 algorithm is applicable to cellular specimens, leading to increased visibility of molecular detail within tomograms. This work highlights the potential of compressed sensing-based reconstruction algorithms for cryo-ET and in situ structural biology. Compressed sensing (CS-TV2) for cryo-ET using 3D second-order total variation CS-TV2 increases signal contrast while retaining high-resolution information Improved subtomogram averaging from CS-TV2 reconstructions of small datasets Increased contrast and detail in CS-TV2 reconstructions of cellular specimens Böhning et al. apply a compressed sensing (CS-TV2) reconstruction algorithm utilizing 3D second-order total variation to cryo-ET data. The approach is benchmarked on purified and cellular biological specimens, showing that CS-TV2 increases contrast within tomograms while retaining high-resolution information up to the secondary structure level.
登录
查看更多内容
影响因子：
2.3
作者：
ANDERSEN, AH;KAK, AC
通讯作者：
KAK, AC
影响因子：
2
作者：
GORDON, R;BENDER, R;HERMAN, GT
通讯作者：
HERMAN, GT
影响因子：
5.6
作者：
Boettcher, Bettina;Nassal, Michael
通讯作者：
Nassal, Michael
影响因子：
28.3
作者：
Ghosal, Debnath;Kim, Ki Woo;Jensen, Grant J.
通讯作者：
Jensen, Grant J.
影响因子：
28.3
作者：
Bharat TAM;Kureisaite-Ciziene D;Hardy GG;Yu EW;Devant JM;Hagen WJH;Brun YV;Briggs JAG;Löwe J
通讯作者：
Löwe J