冷冻电镜技术是一种利用低温条件和电子束来观察生物或其他敏感样品的结构的方法。它可以获得高分辨率的图像，甚至达到原子级别。冷冻电镜技术在生物学、医学、材料科学等领域有着广泛的应用，是一种非常先进和重要的科学技术。
冷冻电镜技术的发展经历了几个革命性的突破，主要包括以下几点：
1.样品的快速冷冻技术，使得水分子被固定在玻璃化的状态，避免了冰晶的形成和样品的变形。
2.低剂量的图像采集方案，降低了电子对样品的损伤，提高了图像的信噪比。
3.直接电子检测相机的研发，提高了图像的灵敏度和对比度，使得冷冻电镜的分辨率得到了飞跃式的提升，被称为“第一次分辨率革命”。
4.图像处理算法的应用，如单颗粒分析法和电子断层扫描法，使得从二维图像重构三维结构成为可能，提高了结构的精度和完整性。
5.电镜本身的技术发展，如加速电压的提高，使得冷冻电镜能够观察到原子分辨率的信息，如水分子的氢氧原子，被称为“第二次分辨率革命”。
然而，在冷冻电镜“分辨率革命”之前，冷冻电镜的分辨率远不及传统的晶体衍射技术，很难实现原子级的结构解析。在这样的背景下，仍旧有许多科研团队深耕冷冻电镜领域，想要发掘其潜力。来自加州大学洛杉矶分校的周正洪教授团队正是如此，他的团队在2008年首次在3.88超高分辨率条件下获得了细胞质多角体病毒（CytoplasmicPolyhedrosisVirus，CPV）的完整三维结构，实现了病毒个体原子级解析，这是在冷冻电镜分辨率革命前的一项重大突破，也让科研工作者们看到了冷冻电镜的潜力。
图1冷冻电镜揭示CPV病毒整体结构
病毒RNA运输与定位的构象依赖机制
图2电子密度图揭示壳蛋白两种构象的转变
病毒RNA的正确定位与运送对其复制和释放过程至关重要。研究显示，CPV的壳蛋白与RNA高度亲和相互作用的区域存在明显的构象变化，其中一个α螺旋结构能在不同构象下转变为β发卡结构。这种构象转变可能会改变RNA与之结合的模式，从而影响RNA在病毒内部的精确定位。
具体而言，当壳蛋白处于构象1时，α螺旋与RNA紧密结合，可能将RNA固定在靠近病毒外壳的位置。这可能有利于RNA与病毒RNA聚合酶的相互作用，开启RNA的复制过程。当壳蛋白转为构象2，β发卡区域结合RNA，这可能将RNA向病毒内核更深处转运，有助于完成RNA的折叠、修饰和加帽。
因此，研究者猜测壳蛋白的这种构象转换机制是病毒实现RNA在体内精确定位与运輸的重要途径之一。这种定位和运输对RNA的复制、加工以及最后释放到宿主细胞都是必不可少的。
mRNA加帽与释放的耦合机制
图3CPV特有的RNA释放通道
mRNA从病毒体内释放前必须经过加帽修饰，这对保证其在胞浆内的稳定性非常关键。研究发现CPV的mRNA释放通道正对着一个独特的RNA加帽结构域，这使新生成的RNA可以高效地到达加帽部位。这种结构上的精妙设计是其他病毒所没有的。
多面体蛋白特异性包裹与应用
图4CPV外壳中存在的多面体蛋白结合区域
研究还发现CPV外壳上存在一个多面体蛋白结合区域，这是其他病毒所没有的特殊结构。它赋予CPV可以被宿主细胞产生的多面体蛋白高效且特异性地所包裹的独特能力。在包裹后，大量CPV病毒颗粒会与多面体蛋白形成具有一定晶体结构的复合体“包涵体”。这种包裹不会破坏病毒的感染性，但可将病毒颗粒聚集，降低其扩散速度。这也是病毒得以在宿主体内快速增殖的重要条件。
除自身存在价值外，这一特异性蛋白-蛋白交互作用也为人类创造了利用多面体蛋白作为载体导入各种免疫原抗原的契机。也即是说，通过工程方法在多面体蛋白上连接不同的免疫原，就可以利用它与CPV多面体结合区域的亲和力，将这些抗原高效地送达体内，从而激发机体产生特异性免疫应答。这为设计多种创新和安全的病毒载体疫苗打开了大门。
冷冻电镜挑战与机遇
综上而言，该研究在分子和原子水平上展示了清晰可见的多种结构域，这为理解病毒的组装、RNA的复制和加工、以及多面体蛋白的特异性包裹机制提供了详尽的结构基础。需要说明的是，此前针对病毒个体的结构生物学研究多局限于较低的分辨率，很难实现关键部位的精细解析。该项研究证明了冷冻电镜单颗粒技术可以真正做到原子级还原病原体结构。同时，相较当时结构生物学主流手段，它拥有操作简便、成像速度快等诸多优势，分辨率也更高，为疾病诊断、疫苗设计、药物开发提供了极大便利。
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