冷冻电镜可用来检测化合物
冷冻电镜（Cryo-electron microscopy，Cryo-EM）能够对快速冷冻在接近天然状态的蛋白复合物进行结构分析。现在，冷冻电镜不仅可用于测定生物大分子的结构，还可用于分子量相对较小的蛋白复合物，包括膜蛋白。这种强大的技术可以弥补传统方法如X射线晶体学（XRD）和核磁共振（NMR）的不足，尤其适用于基于结构的药物研发方面。”
*TRPV5(瞬时受体电位阳离子通道亚家族V成员5)与益康唑抑制剂结合。摘自TET Hughes et al, Structural basis of TRPV5 channel inhibition by econazole revealedby cryo-EM.
离子通道
X射线晶体学需要制备衍射晶体才能获得原子分辨率的结构。如果您致力于具有挑战性的靶点，这将是非常大的一个障碍。我们现在正在研究的每个靶点几乎都非常具有挑战性。
--康涅狄格州格罗顿市辉瑞公司副研究员
Seungil Han 博士
作为细胞之间运输和交换的主要手段，离子通道是一个非常重要的研究对象。虽然离子通道对于许多疾病都有非常显著的影响，然而由于其很难结晶出来，所以被认为是非常具有挑战性的治疗靶点。一旦从其天然的膜环境中提取出来，离子通道的结构就会坍塌。
冷冻电镜不仅可以揭示天然脂质环境中离子通道的结构，还可以揭示其打开和关闭的状态，这对于理解离子通道的开关机制至关重要。
冷冻电镜无庸置疑是测定离子通道各种构象状态结构的首选技术。
--Carus Lau et al. J Physiol
596.7 (2018) pp 1107–1119
胰岛素结合
医学的进步使糖尿病成为一种可控的疾病，延长了糖尿病患者的生存期， 并提高了其生存质量。然而，直到最近，胰岛素与其受体的结合方式尚不明确。只有明确了结合机制，才能开发出更有效的治疗方法。
胰岛素受体 (Insulin receptor，IR) 是一种二聚蛋白，在控制葡萄糖稳态、调控脂质、蛋白质和碳水化合物的代谢，以及调控脑神经递质水平方面起着至关重要的作用。目前已知IR功能障碍与许多疾病相关，包括糖尿病、 癌症和阿尔茨海默氏症。
--默克公司资深首席科学家
Giovanna Scapin 博士
默克公司首席科学家Giovanna Scapin博士多年来一直致力于胰岛素和糖尿病的研究。她还是冷冻电镜的先驱用户之一。多亏了单颗粒分析技术，她的团队才能够精准确定胰岛素与胰岛素受体之间的相互作用，从而为药物开发开辟了令人兴奋的新途径。
*冷冻电镜获得的电子云密度图(线框)叠加在胰岛素-受体复合物的结构上。
*单颗粒分析技术获得的片段抗原与 sGP 结合的电子云密度图。
病毒和抗体
埃博拉病毒会引起人类和非人灵长类动物发生严重出血热。目前，尚未有批准的针对埃博拉病毒的治疗方法问世。埃博拉病毒的毒性可能部分源自于分泌型糖蛋白（sGP），它是从其GP基因转录的主要产物。sGP 从感染的细胞中分泌出来，在被埃博拉病毒感染的宿主血清中可以很容易地检测出来。了解蛋白与其抗体之间的结合机制可用于未来的疫苗设计和治疗。
来自Scripps研究所的Andrew Ward博士研究小组使用冷冻电镜绘制出抗体在抗原表位结合图，分辨率为4.3Å，为评估患者对疫苗抗体的反应提供了根据。
GPCR功能
G蛋白偶联受体（G protein-coupled receptor，GPCRs）是调节细胞对外界刺激的多种反应的膜蛋白。它涉及多种疾病，是重要的药物靶标；超过50%的现代蛋白质药物都与GPCRs相关。作为膜蛋白，GPCRs非常大，结构柔性好，且难以结晶，这意味着很难使用传统的分析技术（例如：NMR和XRD）来表征其结构。
来自Thermo Fisher Scientific 的科学家与Mazdak Radjainia 博士共同进行的合作项目成功地使用冷冻电镜分析了GPCR的结构。另外，冷冻电镜可以对GPCRs家族蛋白的结构进行分组和单独表征，因此也被研究人员用于捕获这些复合物的动力学特性。
*GPCR复合物在冷冻电镜上获得的电子云密度图。图形由Chimera(PDB ID: 5UZ7 )绘制。
阿尔茨海默氏症与神经退行性疾病
人口老龄化问题为全社会带来了前所未有的广泛流行性疾病。阿尔茨海默氏症（Alzheimer’s Disease，AD）是最常见的神经退行性疾症，并且随着个体寿命的持续增长，每年报告的病例数也在增加。在世界范围内，至少有4400万人患有痴呆症，全球每年用于痴呆症患者的费用高达6040亿美元。到2030年，预计痴呆症患者将达到7600万。
研究人员正在尝试使用多种方法在分子水平上诊断、治疗和锁定阿尔茨海默氏症的病因。英国剑桥大学分子生物学实验室的Anthony Fitzpatrick最近将冷冻电镜单颗粒分析技术和质谱技术相结合，解析了tau蛋白的结构，该蛋白被认为是病理上导致阿尔茨海默氏症的主要致病因素。
tau蛋白纤维与阿尔茨海默氏症的病理有关。它们在阿尔茨海默氏症患者的大脑中大量聚集缠绕在一起。这些蛋白可以直接从患者身上提取出来，然后冷冻并用冷冻电镜进行分析，从而得到非常接近于体内结构构象的结果。
*冷冻电镜上获得的tau蛋白纤维的电子云密度图（透明部分）。相应的蛋白质结构（彩色部分）与之相吻合。
其他分析技术通常关注大的tau蛋白的片段，这提供了大量的细节，但缺乏相关环境对结构的影响等信息。冷冻电镜能够在接近其天然环境条件下对蛋白进行成像，在结构测定中能够提供有价值的相关环境影响信息，独具优势。
质谱技术能够帮助判定冷冻电镜样品生化制备结果的好坏。科学家将二者结合起来，测定了tau蛋白的近原子分辨率结构，从而揭示出潜在的药物靶点。这项开创性的项目刊登在《自然》杂志2017年7月的封面上。
我们使用质谱来验证结构，组成，处理和分解片段。通过质谱来了解磷酸化的位点，并观察其他进来的蛋白质，哪些在纤维中，哪些在组织中……总之，是将蛋白质组学和冷冻电镜相结合。
--英国剑桥大学MRC分子生物学实验室
Anthony W. P. Fitzpatrick
得到原子分辨率的细节而无须结晶
Bartesaghi等人（Structure, v.26（6）, p.848-856, Jun 5, 2018）使用冷冻电镜清晰地观察到β-半乳糖苷酶四聚体的侧链，甚至可以看到带有内部空腔的芳香环。
分辨率和大小方面的进展
自2012年以来，冷冻电镜可以观察到分析物最小尺寸和分辨率都在不断 提高。现在，超过2Å的分辨率可以看到小于0.5 MDa 分子量的结构。尽管这些极限的情况在很大程度上取决于样品的对称性和复杂性，但这种趋势显示出冷冻电镜应用具有非常广阔的前景。
*(A) 冷冻电镜测定了β-半乳糖苷酶四聚体的电子云密度图。
*(B) 单个β-半乳糖苷酶亚基。
*(C) 冷冻电镜测定出单条侧链的电子云密度图，能清晰地看到所有20个主要氨基酸。通过分子动力学模拟确定的侧链构象被嵌入到结构模型之中。
[冷冻电镜]技术[最新]的进展已经能够测定与抑制剂苯乙基-b-D-硫代半乳糖苷相结合的β-半乳糖苷酶的……电子云密度图，其中有序区域在X射线电子云密度图上可见的分辨率约为1.5Å。
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