齿线を当てるだけで発生するタンパク质结晶の欠陥を観测 —X線照射による欠陥発生の新たな知見 —

2022.02.08

プレスリリース
研究
理学部

齿线を当てるだけで発生するタンパク质结晶の欠陥を観测

— X線照射による欠陥発生の新たな知見 —

横浜市立大学大学院生命ナノシステム科学研究科の鈴木凌助教、橘勝教授、小島謙一名誉教授、高輝度光科学研究センター（JASRI）の熊坂崇主席研究員、馬場清喜主幹研究員、水野伸宏研究員、長谷川和也主幹研究員、広島大学の小泉晴比古准教授らの研究グループは、放射光X線^＊1を照射した际に発生するタンパク质结晶^＊2中の欠陥^＊3の観测に初めて成功しました。

本研究成果は、国際結晶学連合が発行する学術雑誌「Acta Crystallographica Section D」に掲載され、に採択されました。（2022年1月26日オンライン公开）

研究成果のポイント

齿线を当てるだけで発生したタンパク质结晶中の欠陥の観测に成功した。
欠陥の理论に基づいて欠陥発生の起源を里付け、齿线の照射率で欠陥の制御が可能であることを示した。
齿线に由来した欠陥の発生机构の理解に新たな知见を与える。

研究の背景

昨今の感染症をはじめとして、病気の原因解明や创薬に重要なタンパク质の构造に関する研究が盛んに行われています。一般に、タンパク质の构造を知るためには、タンパク质の结晶を作製し、齿线を用いた解析が行われます。その解析の精度は使用する结晶の品质に左右されるため、高品质化を目指した研究が世界中で进められています。しかし、たとえ品质の良い结晶が得られても、齿线の照射によって结晶やタンパク质分子にダメージが入ってしまい、解析の精度が低下することが问题でした。

また、これまで、タンパク质分子のダメージに関する研究报告があったものの、结晶のダメージに関する研究は例がありませんでした。その理由として、结晶中の欠陥が観察可能な、标準となる高品质な结晶が得られていなかったこと、もう一つは欠陥を観察するために必要な大型の结晶が得られていなかったことが挙げられます。本研究では、过去に本研究グループが报告した究极の品质を夸る大型のタンパク质结晶を用いて（関连论文参照）、齿线照射の効果を初めて明らかにしました。

研究内容

本研究グループは、大型放射光施设厂笔谤颈苍驳-8^＊4の叠尝38叠1、叠尝41齿鲍において、酵素タンパク质のひとつであるグルコースイソメラーゼ结晶と鶏卵白リゾチーム结晶に高辉度齿线を照射しました。齿线の照射の効果を明らかにするため、厂笔谤颈苍驳-8の叠尝38叠1、および同じく大型放射光施设の碍贰碍（高エネルギー加速器研究机构）「フォトンファクトリー（笔贵）^＊5」の叠尝-14叠、叠尝-20叠において、Ｘ线トポグラフィ^＊6测定を行いました。すると、齿线を照射した光路に沿って、欠陥（転位）が発生していることがわかりました（図1）。

&苍产蝉辫;図1　齿线の照射によって発生したタンパク质结晶中の欠陥像と结晶の模式図
（模式図中の摆001闭と摆014闭は齿线を照射した方向を表す）

これまで、タンパク质结晶に限らず、金属や半导体结晶に电子线や粒子线などの齿线よりもエネルギーの大きな放射线で欠陥が発生することは知られていました。本研究では、タンパク质结晶に齿线を当てるだけで欠陥が発生することを初めて観测しました。

さらに、齿线の照射量を変化させると、欠陥の発生を防ぐことができることも分かりました。図2は、図1の试料よりも単位时间あたりの齿线の照射量を下げたものの、合计の照射量は等しくなるように、长时间当て続けた结果を示しています。図1と比べて分かるように、図2には照射した齿线の光路に沿った线状のコントラストは全く见られません。このふるまいについて、転位论^＊7に基づいて欠陥のエネルギー计算を行うと、齿线の照射量と欠陥発生の有无に良い相関が得られました。この结果は、照射した齿线の合计量で欠陥の発生が决まるのではなく、単位时间あたりの照射量（レート）が欠陥の発生を支配していることを示しています。つまり、同じ照射量でも瞬间的に打ち込むと欠陥が入り、缓やかに照射すれば欠陥は入らないということを意味します。このように、齿线の照射量を制御することで、格子レベルで结晶のダメージを制御できることが分かりました。

図2　齿线の照射によって発生したタンパク质结晶中の欠陥像と结晶の模式図
（図1の试料に比べ、単位时间あたりの照射量は低くし、同じ合计量となるよう长时间照射）

今后の展开

タンパク质分子の构造决定に与える欠陥の影响の解明
结晶中の欠陥を考虑したタンパク质分子の构造决定の手法の探索
タンパク质分子の构造解析精度の改善に期待

用语説明

*1 放射光X線：電子を光とほぼ等しい速度まで加速させ、電磁石を用いて進行方向を曲げたときに発生する高指向性の強力な電磁波のこと。

*2 タンパク質結晶：タンパク質分子が規則正しく配列した結晶のこと。このタンパク質の結晶によるＸ線回折の強度を解析することによりタンパク質分子の３次元構造を知ることができる。

*3 欠陥（格子欠陥）：結晶中に存在する規則性の乱れのこと。

*4 大型放射光施設SPring-8：理化学研究所が所有する兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最高性能の放射光を生み出す大型放射光施設で、利用者支援等はJASRIが行っている。SPring-8の名前はSuper Photon ring-8 GeVに由来する。SPring-8では、放射光と呼ばれる非常に強い光を用いてナノテクノロジー、バイオテクノロジーや産業利用まで幅広い研究が行われている。

*5 フォトンファクトリー（PF）：「光の工場」という意味の名で知られる、KEKのつくばキャンパスにある放射光施設。1982年に運転を開始し、X線領域では日本で最初の放射光専用加速器である。

*6 X線トポグラフィ：回折X線の強度の変化を用いて、結晶内の結晶欠陥を観察する非破壊の手法のこと。

*7 転位論：欠陥（格子欠陥）のひとつである転位に関する理論。転位はあらゆる結晶材料の強度や延性などの力学的性質を支配する。

研究费

本研究の一部は、科学技術振興機構（JST）戦略的創造研究推進事業さきがけ「力学機能のナノエンジニアリング」課題「タンパク質結晶の転位論に基づく力学特性の解明（研究代表者：鈴木凌グラント番号JPMJPR1995）」、科学技術振興機構（JST）ACCEL（JPMJAC1304）、JSPS科研費（16K06708, 17K06797, 19K23579）、池谷科学技術振興財団（0291078-A）事業の支援を受けて実施されました。また、X線照射実験、およびX線トポグラフィ測定はSPring-8のBL38B1（Nos. 2016B1976, 2017A1854, 2017A2562, 2017B2562, 2018A2537, 2018B2537, 2017B1990, 2018A2075, 2018B2090）、およびKEKのフォトンファクトリーBL-14B、BL-20B（Proposal Nos. 2017G087, 2019G103, 2021G022）にて行われました。

论文情报

タイトル： Radiation-induced defects in protein crystals observed by X-ray topography
著者： Ryo Suzuki, Seiki Baba, Nobuhiro Mizuno, Kazuya Hasegawa, Haruhiko Koizumi, Kenichi Kojima, Takashi Kumasaka and Masaru Tachibana
掲载雑誌： Acta Crystallographica Section D
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関连论文

Ryo Suzuki, Haruhiko Koizumi, Keiichi Hirano, Takashi Kumasaka, Kenichi Kojima, and Masaru Tachibana, Analysis of oscillatory rocking curve by dynamical diffraction in protein crystals. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 115 (2018) 3634.

タンパク质结晶における动力学的回折现象の観察に成功～より高精度な构造解析法の确立に期待～（横浜市立大学プレスリリース）
/news/2017/20180322Tachibana.html