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東大・京大・自然科学研究機構、溶液中の蛋白質構造を正確に評価するための新しい解析法を開発

発表日:2020年6月8日

溶液中の蛋白質構造を正確に評価するための新規解析法を開発

―構造評価の妨げとなる凝集の影響を実験データから除去―

■概要

京都大学複合原子力科学研究所 杉山正明教授、守島健 同助教、自然科学研究機構生命創成探究センター 加藤晃一教授(分子科学研究所/名古屋市立大学兼任)、東京大学定量生命科学研究所 胡桃坂仁志教授らの研究グループは、溶液中の目的蛋白質の正確な構造を求めるために、構造評価の妨げとなる凝集の影響を実験データから除去する新たな解析方法を開発しました。

X線や中性子を用いた小角散乱法(SAS)は溶液中の蛋白質の構造を解析する強力な測定法ですが、溶液中に僅か数%程度の凝集が存在するだけで目的蛋白質の正確な散乱プロファイルが得られなくなり、誤った構造の解釈に繋がる危険性を孕んでいることが長年の問題でした。そこで本研究では、超遠心分析(AUC)で測定される凝集の存在比率を用いて散乱プロファイルから凝集の影響を取り除く解析法(AUC-SAS法)を開発しました。今後はAUC-SAS法で解析した散乱プロファイルから得られる構造を元にして、従来よりも高度な生物学的議論が可能になると期待されます。また、AUC-SAS法は解離会合平衡系のように複数の蛋白質成分が共存する多成分溶液に対しても応用可能で、特定成分を選択的に構造解析することができます。生体により近い環境の複雑な多成分溶液中での蛋白質構造を解析するにあたって、AUC-SAS法は不可欠な手法となることが期待されます。

本研究成果は、2020年6月8日にイギリスの国際学術誌 Communications Biologyにオンライン掲載されます。

※参考画像は添付の関連資料を参照

1.背景

構造生物学においてクライオ電子顕微鏡や単結晶構造解析は蛋白質等の生体高分子の立体構造を高い空間分解能で解析する手法です。しかしながらこれらの測定では試料が凍結・結晶状態であるため、目的の分子の構造が生体中(=溶液中)の構造から多少変化している可能性もあります。一方、X線や中性子を試料溶液に入射して散乱像を解析する小角散乱法(Small Angle Scattering;SAS)[注1]は、蛋白質の溶液中での「ありのまま」の構造を得ることができる強力な測定法です。例えば、凍結・結晶状態では観測不可能な蛋白質のダイナミクスを反映した構造情報を得られるため、SASは生命機能を理解する上でも不可欠な手法です。

これまでのSASで得られる構造の空間分解能は比較的低かったのですが、近年は計算機による解析プログラムの発達によって、以前より高分解能な立体構造を得ることができるようになりました。一方で、このような高度の解析を行うためには、目的とする蛋白質の高品質な実験データ(散乱プロファイル)を得ることが大変重要です。しかしながら、溶液中に目的蛋白質以外に異なる構造の複数の成分が共存する場合(=多成分系)、実験で得られる散乱プロファイルに溶液中の全成分の寄与が反映され、特に、複数の蛋白質が会合した「凝集」は分子量が大きく、目的蛋白質に対して僅か数%程度の存在比率であっても散乱プロファイルに大きく影響を及ぼしてしまいます。そこで、通常SAS測定に用いる試料は、多大な労力をつぎ込んで目的蛋白質成分だけの溶液となるように高純度に精製されます。ただ、残念ながら、その労力にも拘わらず試料によっては精製直後でも凝集を生じる場合があります。このような試料の散乱プロファイルから得られる蛋白質構造は凝集の影響を受けており、当然目的蛋白質の本来の構造とは異なっています。加えて、大変厄介なことに、溶液中に凝集が含まれるか否かはSAS測定だけでは判断できない場合があり、凝集の影響を受けた構造を目的蛋白質の真の構造と誤認してしまうと、その後の生物学的な議論において大変危険です。

以上のように、「凝集問題」は溶液中の蛋白質構造解析における非常に重大な問題の一つでした。これに対して本研究では、試料溶液に凝集が(どれくらいの量)含まれるかを測定し、凝集の影響を除去して目的蛋白質だけの散乱プロファイルを得る解析法を開発しました。

※以下は添付リリースを参照

リリース本文中の「関連資料」は、こちらのURLからご覧ください。

参考画像

https://release.nikkei.co.jp/attach_file/0535387_01.jpg

添付リリース

https://release.nikkei.co.jp/attach_file/0535387_02.pdf

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