単粒子解析

単粒子解析法とは、Single Particle Analysis(SPA)の日本語訳である。単粒子とは、画像中の粒子（対象）が元来、２次元的にもしくは３次元的に同じ形をしていることを仮定して、その２次元、３次元構造解析を行う画像処理法のひとつである。

２次元単粒子解析

　２次元単粒子解析とは、２次元で得られている電子顕微鏡投影像を分類し、それぞれを平均し、構造の違いを論じるための解析方法を指します。

３次元単粒子解析

　元々の粒子の構造が３次元的に単一であることを仮定して、２次元の粒子画像群から３次元構造を再構成する画像処理法を指します。その手順は、下記のようになります。

ROI（粒子画像の抽出）

電子顕微鏡画像の前処理

　まず、電子顕微鏡画像から粒子画像を抽出しやすくするために画像に合った補正を行います。

1. CTF補正

　画像の明暗を調節したい場合にはCTF補正を掛けて、コントラスト比を調整します。
以下の流れでCTF補正を行います。

電子顕微鏡画像(2D)

↓　A: mrcImageFFT

電子顕微鏡画像(2DFFT)

↓　B: ctfDisplay

電子顕微鏡画像(2DFFT) + CTF情報(ASCII)

↓　C: mrcImageCTFCompensation

CTF補正済み画像(2D)

使用する入力ファイルの画像

最小 最大 平均値 標準偏差 標準誤差

-1066.31 (69, 47, 0) 489.111 (58, 48, 0) 0.247522 88.9735 0.347553

コマンドA: mrcImageFFT -i Input-121p-shiftr-ctf.2d -o Input-121p-shiftr-ctf.2dfft

コマンドAの出力画像

mrcFFTExpression(m=1)にて表示

最小 最大 平均値 標準偏差 標準誤差

0.129048 (255, 128, 0) 772.6 (142, 252, 0) 72.4855 51.7996 0.202342

コマンドB: ctfDisplay -i Input-121p-shiftr-ctf.2dfft -o Input-121p-shiftr-ctf.ctfinfo

実行直後

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lmax=400でトーンリングが見える

>

Rmax=0.08で拡大表示する

>

谷に線を合わせる(Defoucus=27000)

今回はノイズ比を1と考え、Isignalの値をInoiseの値に合わせます。
最後にInfoのSaveボタンでCTF情報ファイルを保存します。(保存した出力データ)

コマンドC: mrcImageCTFCompensation -i Input-121p-shiftr-ctf.2dfft -o Input-121p-shiftr.2d -info2 Input-121p-shiftr-ctf.ctfinfo

コマンドCの出力画像

最小 最大 平均値 標準偏差 標準誤差

-461.072 (75, 56, 0) 1206.48 (16, 58, 0) -0.247522 88.9734 0.347553

電子顕微鏡画像から粒子画像の抽出

　Display2を使用して、粒子部分をROIファイルとして切り出します。

使用する入力ファイルの画像

最小 最大 平均値 標準偏差 標準誤差

-461.072 (75, 56, 0) 1206.48 (16, 58, 0) -0.247522 88.9734 0.347553

コマンド: Display2 -i Input-121p-shiftr.2d

実行直後

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mrcImage InfoのMax, Minの値を、 Display2 InfoのHigh, Lowに設定すると、 観察しやすい画像として表示される 今回はHigh=1207, Low=-462に設定

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切り出したい範囲を囲む ROI->Createにて操作

複数囲む場合はROI->MultiROIにチェック

切り出したい範囲を囲み終えたら、ROI->ROIInfoからroiinfo画面を開き、
下部のExtractボタンを押すと、ROIファイルが作成されます。

出力したROIファイルの画像

0000.roi

最小 最大 平均値 標準偏差 標準誤差

-461.072 (17, 21, 0) 1098.8 (10, 13, 0) 28.9941 317.641 13.5938

0001.roi

最小 最大 平均値 標準偏差 標準誤差

-394.013 (18, 10, 0) 1206.48 (14, 12, 0) 18.3544 299.042 12.5036

0002.roi

最小 最大 平均値 標準偏差 標準誤差

-418.302 (17, 6, 0) 1107.53 (14, 10, 0) 20.3934 302.756 12.8861

参照画像の作成

参照画像の準備(mrcImageModelCreate, pdb2mrc etc.)

　ここでは３次元再構成に必要な３次元モデルデータ(参照画像)を用意する方法を記述します。

３次元の概形が分かっている場合

　概形が分かっている場合はその形に近いmrcファイルあるいはPDBファイルを用意します。
PDBファイルの場合はpdb2mrcを使用して、mrcに変換します。

使用するPDBファイルの画像

重心 最大半径 最大半径(座標)

3.012034e-03 -4.102425e-03 7.530045e-04 3.286664e+01 24.77 23.85 28.04

コマンド: pdb2mrc -i 121p-shift.pdb -o 121p-shift.ref3d -nx 64 -ny 64 -nz 64 -Sx -80 -Sy -80 -Sz -80 -dx 2.5 -dy 2.5 -dz 2.5 -m 1

もしくはこちらのMakefileからpdb2mrcを実行することもできます。
設定項目(今回は変更の必要はありません)

###
### Initial model from PDB
###
REFSOURCE=121p-shift
DELTA=2.5
SIZE_X=64
SIZE_Y=64
SIZE_Z=64
START_X=`awk 'BEGIN { print -1*$(DELTA)*$(SIZE_X)/2}'`
START_Y=`awk 'BEGIN { print -1*$(DELTA)*$(SIZE_Y)/2}'`
START_Z=`awk 'BEGIN { print -1*$(DELTA)*$(SIZE_Z)/2}'`

make InitialModelと入力すれば参照画像が作成されます。

作成された参照画像

xy平面

yz平面

最小 最大 平均値 標準偏差 標準誤差

0 (0, 0, 0) 22320.6 (34, 39, 32) 42.1608 615.001 1.20117

３次元の概形が分からない場合

　概形が分からない場合はmrcImageModelCreateにて仮の３次元モデルデータを作成し、参照画像とします。今回は粒子を対象としているので、楕円体として参照画像を作成します。

コマンド　mrcImageModelCreate -o Model-ellipsoidal.ref3d -m 7 -nx 20 -ny 20 -nz 20 -lx 1 -ly 1 -lz 1

作成された参照画像

xy平面

yz平面

最小 最大 平均値 標準偏差 標準誤差

0 (0, 0, 0) 2 (10, 10, 1) 0.38865 0.608959 0.00680837

３次元再構成

　３次元再構成を行うためには多くの参照投影像が必要になりますので、Makefileを使用することをお薦めします。

ROIファイル(.roi)および参照画像(.ref3d)がある場合はこちらのMakefileにて、make Allと入力すれば、３次元再構成を1ターン分行い、３次元再構成されたファイル(.3d)が作成されます。

以降の項目では３次元再構成に至るまでの各処理をEosのコマンドやMakefileのコマンドと対応させながら、実行例を記述していきます。

参照画像から２次元の参照投影像のセットを生成

　mrc3Dto2Dを使用して、２次元の参照投影像を作成します。

例. 121p-shift.ref3d を元に参照投影像121p-shift.ref2dを作成する場合(y軸, 軸周りに0度 ~ 360度の範囲で30度刻み)

使用する参照画像

xy平面

yz平面

最小 最大 平均値 標準偏差 標準誤差

0 (0, 0, 0) 22320.6 (34, 39, 32) 42.1608 615.001 1.20117

既存のMakefileを再利用する場合は以下の設定を確認します。
今回はファイル名のみ変更しています。

# Ref File Name
INITIAL=121p-shift

#
# Search Area for 3D
#
ROTMODE=YOYS

#
# Search Area for 3D
#
ROTMODE=YOYS
# Rot1
ROT1MIN=0
ROT1MAX=359
ROT1D=30

# Rot2
ROT2MIN=0
ROT2MAX=359
ROT2D=30

# Rot3
ROT3MIN=0
ROT3MAX=0
ROT3D=30

make .ref3d.ref2dと入力すれば参照投影像が作成されます。

作成された参照投影像

z=0

z=1

z=2

z=168

サイズ 最小 最大 平均値 標準偏差 標準誤差

( 64, 64, 169) -76.7146 (32, 41, 138) 2557.54 (35, 32, 131) 42.1574 207.727 0.249672

最も類似度（相関値）の高い参照投影像の角度を粒子画像の投影角として決定

　mrcImageAutoRotationCorrelationを使用して粒子画像の投影角を決定します。

-i に使用するROIファイルの画像

最小 最大 平均値 標準偏差 標準誤差

-461.072 (17, 21, 0) 1098.8 (10, 13, 0) 28.9941 317.641 13.5938

-r に使用する参照投影像

z=0

z=1

z=2

z=168

サイズ 最小 最大 平均値 標準偏差 標準誤差

( 64, 64, 169) -76.7146 (32, 41, 138) 2557.54 (35, 32, 131) 42.1574 207.727 0.249672

コマンド　mrcImageAutoRotationCorrelation -i Input-121p-shiftr.2d-0000.roi -r 121p-shift.ref2d

三次元像を再構成する

　mrc2Dto3Dを使用して三次元像を再構成します。

三次元像の分解能・質の確認

　出来上がった三次元像を参照像と比較して、分解能や質を確認します。

主に使用するコマンド
mrcImageFourierShellCorrelation

mrcImageFOMCalc