クライオ電子顕微鏡法（クライオ EM）は、タンパク質やタンパク質複合体など幅広い生体分子の 3 次元構造を決定するために確立された方法です。 クライオ電子顕微鏡用試料（グリッド）作製において、膜タンパク質複合体の精製標品に含まれる界面活性剤の除去法のほか、多様な膜 タンパク質複合体に対応したグリッド作製法を探索している。 クライオ電子顕微鏡によるタンパク質の構造解析は世界的にも高い注目を集めている。特に、高分解能を得 られる単粒子解析手法が話題であるが、従来と同じく平均化技術であり、分子の形態変化を伴うダイナミクス観 察には適さない。 クライオ電子顕微鏡は、結晶化が困難な、膜タンパク質やタンパク質複合体、抗体などの構造解析に有効な手法です。 Modification of illustration by Alan Merk et al.,Cryo-EM resolution s barriers to facilitate drug discovery, Cell, 2016 Vol165, 1698-1707. クライオ電子顕微鏡によるタンパク質の動的構造解析 宋 致宖，村田 和義* 自然科学研究機構生理学研究所 愛知県岡崎市明大寺町字西郷中38 *e-mail: kazum@nips.ac.jp (Received: January 15, 2018; Accepted for publication: February 19, 2018; Online publication: March 23, 2018) D61, 1013-1021 (2005)クライオ実験全般についての文献 タンパク質の結晶化、京都大学学術出版会 (2005) Macromolecular Crystallography Protocols: vol. (a) Negative staining. クライオ電子顕微鏡法とは、クライオステージやクライ オトランスファーホルダーを装着した電子顕微鏡を用いる観察、または試料を 凍結処理する観察法であり、乳製品のようなタンパク質と脂肪分の複雑 … Commun., 8, 16099 (2017). 低温電子顕微鏡法（ていおんでんしけんびきょうほう、Cryo-electron microscopy、cryo-EM、クライオ電子顕微鏡法）は透過型電子顕微鏡法の一種で、試料を低温（多くの場合液体窒素の温度）において解析する手法である 。 構造生物学や細胞生物学の分野において用いられる 。 クライオ電子顕微鏡を用いたタンパク質の単粒子解析とは？ 物構研は、放射光・中性子・ミュオン・低速陽電子という4つの量子ビームの実験施設を運用し、それを活用した研究を行っています。 単粒子構造解析法では，1枚の電顕像の中に単一で向きの異なるタンパク質粒子が多数記録されているような画像を，クライオ電顕を使って粒子が電子損傷を受けない範囲の弱い電子線量で多数撮影する(Figure 5)．そこから各粒子投影像を切り出し，クラス分けによる粒子の2次元平均像を計算することによって，ノイズの多い個々の低コントラスト像からS/N (シグナル/ノイズ比)の高い像を導出する．近年のクライオ電顕単粒子構造解析の躍進では，前述の電子直接検出カメラの導入に加えて，ベイズ統計を使った画像推定法の開発が大きく貢献している．この統計手法を用いることによって，2次元クラス分けの精度が格段に向上しただけでなく，後述する三次元像の高分解能化においても大きな力を発揮した [11]．. 注1）クライオ電子顕微鏡単粒子解析 タンパク質の立体構造を高分解能で決定するための手法の一つ。電子線照射による分子の振動や損傷を抑えるために、観測対象のタンパク質を氷薄膜中に包埋し、極低温で電子顕微鏡像を観測する。 本研究グループは、酵母細胞からTOM複合体（Tom40、Tom22、Tom5、Tom6、Tom7の5種類のサブユニットから構成される膜タンパク質複合体）を精製し、東京大学のクライオ電子顕微鏡を用いてその構造を3.8Åの分解能で決定し … doi:10.1038/ncomms1609928232747, M. Adrian, J. Dubochet, J. Lepault, A. W. McDowall, Nature, 308, 32 (1984). Adv., 3, e1602670 (2017). 赤血球. doi:10.1126/science.125165224675944, X. Yu, D. Veesler, M. G. Campbell, M. E. Barry, F. J. Asturias, M. A. Barry, V. S. Reddy, Sci. doi:10.1016/j.jsb.2012.09.00623000701, R. A. Crowther, D. J. DeRosier, A. Klug, Proc.- Royal Soc., Math. 近年、クライオ電子顕微鏡法の進歩によって、生体分子を極めて詳細に解像できるようになった。 Workflow of single particle analysis for cryo-EM. Biol., 213, 899 (1990). クライオ電子顕微鏡によるタンパク質の構造解析は世界的にも高い注目を集めている。特に、高分解能を得 られる単粒子解析手法が話題であるが、従来と同じく平均化技術であり、分子の形態変化を伴うダイナミクス観 察には適さない。 Sample preparations for electron microscopy. タンパク質はとても小さいので、ふつうの顕微鏡では調べることができず、x線や電子線を使います。 x線結晶構造解析は、タンパク質が立体的に並んだ3次元結晶をつくってx線をあて、そのときに得られる回折データから立体構造を導き出す手法です。 Eng. クライオ電子顕微鏡単粒子解析のためのサンプルスクリーニングを行います。 スクリーニングに要する時間が長いことは、高分解能データに到達しない要因の一つと考えられます。 スクリーニングを迅速かつ正確に行うことに注力した受託解析を展開します。 Sci., 317, 319 (1970). Dubochetによって開発された [6](Figure 2b)．氷包埋法では，試料は急速凍結により低温で液中に固定されたまま電子顕微鏡内にセットされ，画像化される．そして，前述した生体試料特有の低コントラストを補うために位相コントラストが主に用いられる．電子顕微鏡の対物レンズに固有の大きな球面収差を利用して，わざとピンボケの像を撮影することで透過電子と散乱電子との間にπ/2の位相差を作りだし，これを位相コントラストとして観測する [7]．そして，コントラスト伝達関数(CTF)の振動によるコントラストの変調をあとから計算機の上で補正することで元の高分解能の構造情報を回復する．氷包埋試料を用いたクライオ電顕法は，ネガティブ染色法とは異なり，内部も含めた試料全体からの構造情報を取得できる点で，タンパク質の構造解析においては画期的な方法である．, 一つ残された問題は電子線による試料損傷であるが，これについては，今回同じくノーベル賞を受賞したR. S. H. W. Scheres, J. Struct. (b) Direct detector CMOS camera. 電子ビームで見る. Hendersonが，シアノバクテリアの紫膜(バクテリオロドプシンの2次元結晶)を試料として用いて，照射電子線量を最適化する実験を行い，電子顕微鏡でも原子座標を決定することが可能であることを示した [8]．同時に試料を低温にすることで電子線損傷が軽減されることも示された．, クライオ電子顕微鏡によるタンパク質の構造解析が可能となった一つの大きな要因は，画像記録装置の進歩である．これまで電子線フィルムに加えてCCDカメラが主に画像記録媒体として用いられてきたが，一定の露光時間を必要とするこれらの媒体は，画素面での像の染み出しに加えて，電子顕微鏡特有の電子線照射に誘導される試料移動(Beam induced specimen movement)のために，高分解能の画像を記録することが困難であった．, 近年，半導体製造技術の進歩により電顕用CMOSイメージセンサーが開発され，電子直接検出カメラ(Direct detector)として用いられるようになり，この問題が大きく改善された [9]．それは，CCDとの構造の違いに見ることができる．, まず，電子顕微鏡用CCDカメラは，CCDの表面に蛍光板が置かれていて，電子線は一度蛍光体で光子に変換されてからCCDで検出される(Figure 3a)．通常，蛍光体とCCDは光ファイバーアレーで結ばれており，変換された光子ができるだけCCD上で広がらないように工夫されている．しかし，検出点の広がりを完全に防ぐことはできない．また，CCDでは受光面を大きく取るために，データを隣のピクセルに順次転送することにより，バケツリレーのような方式で読み出して行く．この方式では，データを読み出している間はシャッターを閉じて，それ以上の信号が来ないようにする必要があり，カメラのフレームレートを一定以上早くすることができない．. クライオ電子顕微鏡用試料（グリッド）作製において、膜タンパク質複合体の精製標品に含まれる界面活性剤の除去法のほか、多様な膜 タンパク質複合体に対応したグリッド作製法を探索している。 クライオ電子顕微鏡のブレイクスルーとなった、液体ヘリウム温度で観察できるステージ めて、腎臓などで発現するの膜タンパク質として世界で初電子顕微鏡を使って、ヒト由来藤吉特別栄誉教授は、クライオ AQ P1 の立体構造解析に成功した。 タンパク質分析. クライオ電子顕微鏡によって観察される、溶液中にランダムに配向したタンパク質の多数の投影像から立体像を再構築する手法。 5. クライオ電子顕微鏡法は原子レベルに近い分解能でタンパク質の 3 次元構造を明らかにします。クライオ電子顕微鏡法により、複合体や結晶化できない試料だけでなく、細胞が生きている状態での構造情報が得られます。 詳細を見る › Representative biomolecules solved by cryo-EM at near-atomic resolution. (a) CCD. Boxer, L. A. Earl, J. L. S. Milne, S. Subramaniam, Cell, 165, 1698 (2016). 大阪大学蛋白質研究所 附属蛋白質解析先端研究センター分子創製学研究室. Three cryo-EM maps from the S. cerevisiae V-ATPase representing three distinct conformational states of the enzyme (A to C). Adv., 2, e1600725 (2016). Frankは，いち早くこの手法の研究に取り組み完成させた [10]．. Adv., 3, e1700147 (2017). クライオ電顕とは？ クライオ電子顕微鏡のことで、タンパク質などの生体分子を、水溶液中の生理的な環境に近い状態で、電子顕微鏡で観察するために開発された手法。まず、試料を含む溶液を液体エタン（約-170℃）中に落下させ急速凍結し、アモルファス い伝子. Scale bar, 25 Å [adapted with permission from [13]]. クライオ電子顕微鏡法とは、クライオステージやクライ オトランスファーホルダーを装着した電子顕微鏡を用いる観察、または試料を 凍結処理する観察法であり、乳製品のようなタンパク質と脂肪分の複雑 … 膜タンパク質のダイナミックな構造変化を解明 －クライオ電子顕微鏡、放射光での新しい生命現象の可視化－（プレスリリース） ひとつ後 てんかんの原因タンパク質が神経細胞間の橋渡しをする仕組みを解明（プレスリリース） 2017年にノーベル賞を受賞したのは「クライオ電子顕微鏡の開発」。サンプルを極低温で凍らせることで、タンパク質など生体分子を「生きた状態」すなわち、瞬間凍結固定した状態で観察できる、かつてない解析手法だ。 A new era for cryo-electron microscopy: near atomic resolution . 沖縄科学技術大学院大学（OIST）生体分子電子顕微鏡解析ユニット（代表：マティアス・ウォルフ准教授）の杉田征彦研究員（現所属：大阪大学蛋白質研究所）らは、最先端のクライオ電子顕微鏡解析により、エボラウイルスのコア構造である核タンパク質―RNA複合体の立体構造を世界で初めて原子レベルで明らかにしました。 本研究成果は、エボラウイルスがどのように形成されるのかという疑問の解明に大きく貢献する … doi:10.1098/rspa.1970.0119, M. T. Mazhab-Jafari, J. L. Rubinstein, Sci. 病原体. 一方，電子直接検出カメラでは，電子線をCMOSセンサーの各画素で直接カウントするため，CCDのような検出点の広がりはほとんど起こらず，全体として非常にシャープな像を得ることができる(Figure 3b)．また，電子線は各画素に配置された増幅器(APS: Active pixel sensor)から直接読み出されるのでシャッターは不要で，秒速1600フレームにも及ぶ連続した高速画像記録が可能になる．この特徴を利用して，1枚の画像をサブ秒のフレームに分割して取得し，前述した「電子線照射に誘導された試料移動」を後から計算機上で補正することが可能となる．いわゆるブレ補正が行えるようになり，高分解能を保った画像の取得ができるようになった．また，フレームレートを上げて電子を一つずつカウントすること(電子カウンティング)も可能で，これにより取得した超解像イメージから，非常に高い量子変換効率(DQE: Detection quantum efficiency)を実現することができる．電子直接検出カメラの出現によりクライオ電子顕微鏡の解像度が飛躍的に向上し，原子構造解析が可能になったと言える．, 単粒子構造解析は，今日クライオ電顕を用いてタンパク質の立体構造解析を行うときに最も多く使われる手法である(Figure 4)．今回のノーベル賞受賞者の最後の一人J. 2017年のノーベル化学賞、日本人とはいきませんでしたが、私の予想した研究と近い研究が選ばれました！, 受賞理由：「溶液中の生体分子を高分解能で構造決定できるクライオ電子顕微鏡法の開発」● ヨアヒム・フランク (Joachim Frank)● ジャック・ドゥボシエ (Jacques Dubochet)● リチャード・ヘンダーソン (Richard Henderson), まず、受賞理由にあります「クライオ電子顕微鏡」とは、極低温で使用する電子顕微鏡です。電子顕微鏡というのは、見ようとしているものに電子ビームを当てて原子１つ１つのレベルまで見ることができる機械です。電子顕微鏡は学校の理科の授業で使う光学顕微鏡よりも、ずっと細かいものを見ることができるものすごい顕微鏡だと思ってください。そして、電子顕微鏡にさらに工夫を重ねたクライオ電子顕微鏡を使うことで私たちの体の中にあるタンパク質やウイルスなどの３次元構造を高画質で見ることができました。そのおかげで体の仕組みや病気の仕組みを解明するのに非常に役立っています。, フランク先生は、数学的手法を用いて２次元を３次元に変換した人です！何を言っているかというと、電子顕微鏡で撮影した写真の変換の話です。電子顕微鏡では影絵のようにものを見ます。この手法では、まず見たいものがいろいろな向きを向いている状態の写真を撮ります。フランク先生はそのたくさんの写真から立体的な形を逆算する計算方法を創り上げました。, ドゥボシエ先生は、この観察法で使うサンプルを準備する方法を創り上げた人です。「なんだ、準備だけか」と思われるかもしれませんが、この方法も重要です。クライオ電子顕微鏡の観察では、見たいもののいろんな向きの写真を撮らなければいけません。それには見たいものをたくさん並べないといけません。しかし、電子顕微鏡は影絵なので、見たいもの同士が重なり合ってしまうと台無しです。ドゥボシエ先生はたくさん並べつつ、それぞれが重なり合いにくい方法を創り出しました。, ヘンダーソン先生は、初めてクライオ電子顕微鏡を使って実際に高精細観察を行いました。影絵を重ね合わせることで、難しかったタンパク質の構造解析を簡単に成功させてしまいました。さらに、ヘンダーソン先生はこの方法を使って次々と新しいタンパク質の構造を観察し、クライオ電子顕微鏡観察が生物のタンパク質研究に広く使えることを世の中に示したのです！, 上でも何度か書きましたが、タンパク質の構造が高精細に観察できます！原子１つ１つがどこにあるかわかるほど高精細です！！, タンパク質というものは、生き物の体の身体をつくる材料になっているだけでなく、身体の中でいろいろな役目を担っています。たとえば、栄養物質を運んだり、ウイルスと戦ったり──。赤血球にある酸素を運ぶヘモグロビンもタンパク質です。ウイルスや病気をやっつける抗体もタンパク質です。実は、ウイルスそのものもおもな成分はタンパク質です。, これまでタンパク質の構造を見るためには、結晶化させなければいけませんでした。しかし、結晶化にはタンパク質が大量に必要ですし、結晶化させる方法そのものも非常に難しいものでした。, 一方、クライオ電子顕微鏡法では、結晶化を必要としません！しかも結晶化ではタンパク質が体内とは違う形になってしまう恐れがありますが、クライオ電子顕微鏡法では瞬間冷凍することで、体内での状態に近いままの姿を見ることができます！！, つまり、体内で重要な働きをしているタンパク質の多くについて、生体内そのままに近い状態で、簡単に、高分解能の三次元構造を見ることができるわけです。特に最近、電子顕微鏡の性能が大きく向上したことで原子１つ１つのレベルまで見えるようになり、クライオ電子顕微鏡法はより広く使われるようになってきています！, 生体内で重要なタンパク質の構造が高解像度でわかるので、生体内でのタンパク質の働きの解明やウイルスに効く薬の開発などに役立てることができます。, 私たちの体の中では様々な種類のタンパク質がそれぞれ働いています。酸素を運ぶヘモグロビンやタンパク質の合成をするリボソーム、ウイルスや病原菌と戦う抗体などです。それらのタンパク質の構造が高解像度でわかるということは、私たちは「なぜ生きていられるのか」がわかるわけです。生命現象の実体にせまることができます。, ウイルスの構造がわかれば、ウイルスのどの部分を攻撃する薬を作れば効きそうか、どのような形の薬を作るのが一番効率的か、がわかります。これまでの薬の開発では、偶然に頼ることが多く、様々な形をひたすら作りひたすらウイルスと混ぜ、ひたすら効く形を探すという作業でした。クライオ電子顕微鏡法を使えばこの作業が大幅に短縮できるかもしれません。, 今まで、「生体」や「タンパク質」、「ウイルス」など生き物に関する言葉が多く出てきました。しかしこれではまるでノーベル生理学・医学賞ではないか、と思われるかもしれません。, ノーベル生理学・医学賞は、私たち生き物の体の仕組みの解明や治療法の開発などに贈られます。一方、ノーベル化学賞は、新しい物質を創り出したり、新しい物質を創る方法の開発などに贈られます。そして時には物質の構造や性質を観察する画期的な方法の開発も選ばれます。, クライオ電子顕微鏡法は、生体内のタンパク質を高分解能で観察することで、「原子１つ１つの配置」のレベルまで形がわかります。原子１つ１つのレベルまで見ることは、化学者が物質の性質を推定し、それを元に新しく物質を創るために必須の情報です。クライオ電子顕微鏡法はまさに化学者が求める観察法であり、物質の構造や性質を見るための画期的かつ強力な方法と言えます。, 今年のノーベル化学賞は新しい物質の開発などではありませんでしたが、「物質を見る」という基礎であり重要な方法論が選ばれました。この方法によって生き物の不思議がどこまで解明されるのか、薬の開発がどのくらい加速されるのか非常に楽しみです。私たちの老後は明るいのでしょうか。, ノーベル化学賞は選ばれる対象が本当に幅広く予想が難しいですが、それゆえに新しい視点が得られて非常に楽しませてもらえました。, 私が予想した中村栄一先生の研究も、分子１つ１つを原子レベル（くらい）で観察する方法の開発なのでテーマとして非常に近かったのではないでしょうか。惜しかったです。準ノーベル賞です。, 最後に改めまして、今回ノーベル化学賞に選ばれましたヨアヒム・フランク先生、ジャック・ドゥボシエ先生、リチャード・ヘンダーソン先生、本当におめでとうございます！！, 【2019年まで在籍】大学では、面白そう・あまり難しくなさそうという理由から化学を選択。そして「これからの時代は新エネルギーだ」という天啓から太陽電池の研究室に進み、博士号を取得。その後一年半ポスドクをし、「もっと色々な人が科学に興味をもち研究者になって欲しい。そのためにはどうすればよいか」と考えながら未来館へ。, 日本科学未来館の活動で扱うさまざまなトピックを中心に、科学技術の魅力や営みを伝えます。, 科学技術は、私たちの暮らしや社会、そして未来とどのように関わっているのでしょうか。科学コミュニケーターと一緒にそのヒントを探っていきます。, 日本科学未来館には、多様なバックグラウンドをもつ科学コミュニケーターが在籍しています。, 科学技術をわかりやすく伝えるとともに、科学技術のあり方や未来社会をどう築いていくかについて、社会のさまざまな立場の人と対話をしながらともに考えています。, 本ブログは、執筆するスタッフの氏名が明記されている記事ページに関しては、その文責は、原則として、執筆者本人にあります。ブログの内容は、必ずしも日本科学未来館の立場・方針・意見などの公式見解を示しているものではありません。. J. Frank, "Three-dimensional Electron Microscopy of Macromolecular Assemblies: Visualization of Biological Molecules in their Native State", Oxford Univerity Press (2006). 2017年にノーベル賞を受賞したのは「クライオ電子顕微鏡の開発」。サンプルを極低温で凍らせることで、タンパク質など生体分子を「生きた状態」すなわち、瞬間凍結固定した状態で観察できる、かつてない解析手法だ。 本研究グループは、酵母細胞からTOM複合体（Tom40、Tom22、Tom5、Tom6、Tom7の5種類のサブユニットから構成される膜タンパク質複合体）を精製し、東京大学のクライオ電子顕微鏡を用いてその構造を3.8Åの分解能で決定し … クライオ電顕単粒子解析で3次元クラス分けされた3つのScV-ATPaseの構造(state 1∼3)(Figure 7)は，この回転式プロトンポンプの動的な3つの構造状態を表す．V1ドメインの3つのATP結合サイト(ABサブユニットの三量体)が順番にATPの結合，分解，放出を繰り返すことにより，中心のローター(F)にトルクを発生させ，これによって回転させられたVoドメインの膜内リング(c-ring)が，膜内に固定されたドメイン(a)との界面でプロトンの受け渡しを連続して行う様子が明らかとなった．また，この3つの構造状態の比率は，State1: 47%; State2: 36%; State3: 17%であった(Figure 7)．これはScV-ATPaseの構造動態を示すと考えられる．, 本総説では，近年タンパク質構造決定の第3番目の手法になったクライオ電顕単粒子構造解析を紹介した．この方法は，これまでのX線結晶解析やNMRに比べて試料に対する制約が非常に少ない方法であるため，今後の応用の広がりが期待される．クライオ電顕によるタンパク質の構造解析には今回紹介した単粒子解析の他に，電子線トモグラフィー•サブトモグラム平均化いう手法もある．これは若干分解能が落ちるものの構造が非常に異なる(ヘテロな)粒子の解析や細胞など生体内にあるタンパク質の構造解析も解析することができる．いずれにせよ，これらの本手法はタンパク質の構造決定法としてまだ完成されたばかりであり，まだ発展途上で，これからさらなる展開が期待される．そのためにも異なる分野の研究者の参入が期待される．, W. Kühlbrandt, Science, 343, 1443 (2014). クライオ電子顕微鏡法は、生体内のタンパク質を高分解能で観察することで、「原子1つ1つの配置」のレベルまで形がわかります。 原子1つ1つのレベルまで見ることは、化学者が物質の性質を推定し、それを元に新しく物質を創るために必須の情報です。 48 クライオ電子顕微鏡による液胞型 ATPase（VoV1）の構造解析 部分に強く吸着することで，臨界ミセル濃度以下でも膜タンパク質を可溶化できる（図2）。 要 約 株式会社cespiaは膜タンパク質 ... 立体構造に基づいた新薬開発に関するコンサルタント業務を行っています。 cespia. Estimated resolution of the reconstruction, molecular weight, and EM database number are given for each particle. Principle of 3D reconstruction from projections (Common line search). doi:10.1126/sciadv.160267028508067, X. Agirrezabala, E. Samatova, M. Klimova, M. Zamora, D. Gil-Carton, M. V. Rodnina, M. Valle, Sci. 低温電子顕微鏡法（ていおんでんしけんびきょうほう、Cryo-electron microscopy、cryo-EM、クライオ電子顕微鏡法）は透過型電子顕微鏡法の一種で、試料を低温（多くの場合液体窒素の温度）において解析する手法である 。 構造生物学や細胞生物学の分野において用いられる 。 doi:10.1016/j.cell.2016.05.04027238019, M. Khoshouei, M. Radjainia, W. Baumeister, R. Danev, Nat. Digital cameras for electron microscopy. 単さいぼう生物. Phys. 見えない・・・ さいぼう. 解析16）を報告するなど電子顕微鏡による構造生物学が 芽生え始めた時期となったが，その分解能はまだまだ低 水和したままのタンパク質や細胞を観る －クライオ電子顕微鏡法の発展－ 九州工業大学大学院情報工学研究院生命情報工学研究系 安永卓生 クライオ電子顕微鏡法は、生体内のタンパク質を高分解能で観察することで、「原子1つ1つの配置」のレベルまで形がわかります。 原子1つ1つのレベルまで見ることは、化学者が物質の性質を推定し、それを元に新しく物質を創るために必須の情報です。 クライオ電子顕微鏡により明らかにした細菌毒素タンパク質の膜透過機構『Nature Structural & Molecular Biology』オンライン版に掲載 2020.03.03 総合生命科学部 生命科学部 さらに，この方法を生かして，近年動的なタンパク質の構造解析についても研究が進められている．他の手法と異なり，空間的な制限のないより天然に近い状態で，様々な大きさのタンパク質複合体の動的構造変化を解析できる上，低分子のリガンドや金属イオンの結合からタンパク質どうしの結合に至るまでの構造変化の解析も可能である．また，5章で紹介するように，含まれる動的構造の比率から，分子の動態(Kinetics)を議論することも行われている．, 本稿では，このクライオ電子顕微鏡法の原理から最新の応用事例までを紹介し，他分野の研究者の方々にも多く興味を持ってもらうことによって，本手法のさらなる技術的な発展をめざしたいと考えている．, タンパク質のような生体試料は，一般的に水を媒介としてその形状や機能を維持している．一方，電子顕微鏡の内部は電子を飛行させるために高い真空度(< 10−5 Pa)に保たれている．よって，生体試料をそのまま電子顕微鏡内に持ち込むと，たちまち乾燥してしまい本来の構造や機能を保持できない．また，タンパク質などの生体分子は主に炭素などの軽原子で構成されているため，電子線に対する散乱確率が非常に低い．つまり電子線に対してほぼ無色透明(低コントラスト)であると言える．さらに，軽原子は電子線による照射損傷に弱いため，わずかな電子線照射で構造が破壊されてしまう．, そこで，これまでの電子顕微鏡による生体試料観察では，ネガティブ染色法などのように試料を酢酸ウランなどの重原子で染色して，試料の代わりに観察する方法が主に用いられてきた(Figure 2a)．ネガティブ染色法では，小さな対物絞りを用いることによって，試料を覆う重原子の濃淡を電子線の散乱の差(散乱コントラスト)として観測する．一方，この方法では，試料の内部からの構造情報を得ることはできない上に，染色剤の濃淡以上の高分解能の情報を得ることもできないため，タンパク質の原子座標を決定することはできない．. 構造生物学は今激動の時代にある．溶液中に分散したタンパク質を凍らせるだけで観察できるクライオ電子顕微鏡（電顕）が進化し，単粒子構造解析法が原子分解能に到達した．この方法は試料の結晶化を必要としないため，難結晶性なタンパク質でも，精製品が少量あるだけで構造決定への道が拓かれることを意味する．現状では，はっきり写る大きなタンパク質を得意とする方法であるが，解析可能な … （1）クライオ電子顕微鏡（Cryo-EM）によるTOM複合体の精密構造決定. doi:10.1038/nmeth.247223644547. クライオ電子顕微鏡の開発を行うと共に、水チャネルやイオンチャネル、受容体、ギャップ結合チャネル、タイト結合等の膜タンパク質の構造と機能研究を行ってきた。 2017年化学賞《タンパク質が見えるクライオ電子顕微鏡》 電子けんび鏡ってなに？ ふつうのけんび鏡とどこが違うの？ 1mm 1/1000mm 1/1000000mm. クライオ電子顕微鏡を用いることによって、従来の解析手法であったX線構造解析で困難だったタンパク質の多くにおいて構造解析が可能となり、確実に構造解析ができるタンパク質が増えるため、新たな創薬領域が大きく拡がっていくことが期待されております。 From the left, species-D human adenovirus 26 [2], 70S ribosome [3], isocitrate dehydrogenase 1 (IDH1) [4], and human hemoglobin [5]. Biol., 180, 519 (2012). doi:10.1126/sciadv.170014728630923, A. Merk, A. Bartesaghi, S. Banerjee, V. Falconieri, P. Rao, M. I. Davis, R. Pragani, M. B. doi:10.1126/sciadv.160072527532044. （1）クライオ電子顕微鏡（Cryo-EM）によるTOM複合体の精密構造決定. Cryo-EM covers specimens with a wide molecular mass from small protein complexes of tens of kilo Daltons to large virus particles of several hundred mega Daltons. 岩崎 憲治. Two upper and lower panels show cross sections through the different conformations. Keiji Iwasaki . クライオ電子顕微鏡により明らかにした細菌毒素タンパク質の膜透過機構『Nature Structural & Molecular Biology』オンライン版に掲載 2020.03.03 総合生命科学部 生命科学部 光で見る. doi:10.1038/308032a06322001, O. Scherzer, J. Appl. クライオ電子顕微鏡を用いたタンパク質の単粒子解析とは？ 物構研は、放射光・中性子・ミュオン・低速陽電子という4つの量子ビームの実験施設を運用し、それを活用した研究を行っています。 タンパク質はとても小さいので、ふつうの顕微鏡では調べることができず、x線や電子線を使います。 x線結晶構造解析は、タンパク質が立体的に並んだ3次元結晶をつくってx線をあて、そのときに得られる回折データから立体構造を導き出す手法です。 タンパク質分析. クライオ電子顕微鏡とトモグラフィー技術を用いて、以下の特徴を有する3次元タンパク質分子構造解析技術を開発し、安定的に解析結果を得られるプロセスを確立した。 ・サンプルの結晶化が不要である GroEL protein (left panel) reconstructed from the cryo-EM (ice-embedded) images (one example shown in the right panel). Phys., 20, 20 (1949). 膜タンパク質のダイナミックな構造変化を解明 －クライオ電子顕微鏡、放射光での新しい生命現象の可視化－（プレスリリース） ひとつ後 てんかんの原因タンパク質が神経細胞間の橋渡しをする仕組みを解明（プレスリリース） クライオ電子顕微鏡を用いることで、タンパク質の高分解能の構造情報を短時間で提供すること が可能です。 ・試料作製、データ収集、構造解析などの困難であったタンパク質の高分解能の立体構造解析関連 の研究を受託の形で利用していただけます。 次に，この複数の2次元平均像(投影像)から立体構造を再構成する．これには共通線探索(Common line search)という方法が一般に使われる．各粒子投影像のフーリエ変換像は，元の三次元構造からの三次元フーリエ変換像の原点を通る一断面に相当する．これは中央断面定理(Central Slice Theorem)と呼ばれる [12]．そして，異なる向きの2枚の投影像からのフーリエ変換像はお互い原点を通って交差するため，そこに共通線ができる(Figure 6)．この共通線を見つけ出すことによって2枚の投影像の相対角度が決定される．さらにこれを異なる向きの3枚目の投影像について行うことで，投影像の相対角度は三次元空間内で一義的に決定される．これを全ての投影像に対して行うことによって，投影像全ての相対角度が決定される．この方法は共通線探索を空間周波数ごとに区切って行うことができるので，投影像に含まれるノイズなどの影響を受けにくく，得られる結果の信頼性も解像度ごとに行える．. メーカー名：沖縄プロテイントモグラフィー株式会社 クライオ電子顕微鏡を用いたタンパク質の構造解析は2017年にノーベル化学賞を受賞し、結晶化をすることなく、構造解析が可能になる革新的な技術として注目を集めています。� クライオ電子顕微鏡と単粒子解析法によるタンパク質の高分解能構造解析受託結晶化不要で高分解能を実現！ | クライオ電子顕微鏡を用いたタンパク質の構造解析は2017年にノーベル化学賞を受賞し、結晶化をすることなく、構造解析が可能になる革新的な技術として注目を集めています。 クライオ電子顕微鏡法は原子レベルに近い分解能でタンパク質の 3 次元構造を明らかにします。クライオ電子顕微鏡法により、複合体や結晶化できない試料だけでなく、細胞が生きている状態での構造情報が得られます。 詳細を見る › doi:10.1016/S0022-2836(05)80271-22359127, X. Li, P. Mooney, S. Zheng, C. R. Booth, M. B. Braunfeld, S. Gubbens, D. A. Agard, Y. Cheng, Nat. クライオ電子顕微鏡 タンパク質を含む溶液を極低温（液体窒素温度）にまで急速に冷却し、試料を観察する透過型電子顕微鏡。近年、試料調製法の改良や、電子直接検出器の開発、解析ソフトの進歩により、近原子分解能の性能が得られるようになった。 クライオ電子顕微鏡の開発. 自然科学研究機構 生理学研究所の永山國昭教授を中心に開発された位相差クライオ電子顕微鏡は、通常の電子顕微鏡とは異なり、標本を染色などすることなく、凍らしただけで、タンパク質や微生物の中まで明瞭に観察することができる最先端の電子顕微鏡です。 タンパク質機能・構造研究チームでは、直接電子検出装置Falcon2を備えた、クライオ電子顕微鏡Tecnai Arcticaを用いて、自動画像取得による大量画像の取得が可能になっています。 一方，クライオ電顕法では，生体試料を急速凍結して薄い非晶質の氷の膜中に閉じ込めて観察する方法(氷包埋法)が，今回のノーベル賞受賞者の一人のJ. そして，まずは低分解能の三次元構造(初期構造モデル)を導出し，そこからさらに逆投影によって可能な全投影像(参照投影像)を計算する．この参照投影像を用いて元の粒子像をさらに詳細にクラス分けし，初期構造モデルをさらに精密化する．このプロセスを何度も繰り返し行い，これに前述のベイズ推計による超解像画像再生技術を応用することによって，より確実に原子分解能の三次元再構成が達成される．得られた三次元クライオ電顕マップは，X線結晶解析と同じ手法により原子座標が推定され，さらに動力学計算により精密化される．, クライオ電子単粒子解析では前述のベイズ推計を応用することによって，三次元再構成像の中に含まれるわずかな構造の違いを三次元クラス分けという形で分離することができる．これは，タンパク質の動的な構造変化を解析するのに非常に有効な方法となる．本節では，クライオ電顕によるタンパク質の動的構造解析の一例を紹介する．, Figure 7は酵母の小胞膜にあるプロトンポンプ(ScV-ATPase)のクライオ電子顕微鏡マップである [13]．ScV-ATPaseは，ATP駆動型プロトンポンプで，細胞質側にあるV1ドメイン(図の上部)でATPを分解し，そのエネルギーが中心のローターの回転運動として細胞膜内のVoドメイン(図の下部)に伝わる．そして，この運動が膜貫通リングを回転させることによりプロトンを膜の外から中に輸送すると考えられている．. クライオ電子顕微鏡によるタンパク質の構造解析が可能となった一つの大きな要因は，画像記録装置の進歩である．これまで電子線フィルムに加えてCCDカメラが主に画像記録媒体として用いられてきたが，一定の露光時間を必要とするこれらの媒体は，画素面での像の染み出しに加えて，電子顕微鏡特有の電子線照射に誘導される試料移動 (Beam induced specimen movement)のために，高分解能の画像 … (EndNote、Reference Manager、ProCite、RefWorksとの互換性あり), 新たなタンパク質の構造決定手法として，クライオ電子顕微鏡による単粒子構造解析が注目を集めている．本手法は試料に対する制約が少なく，数十キロダルトンのタンパク質から数百メガダルトンのウイルス粒子に至るまで同じ方法で解析できる(Figure 1)．また，その空間的な自由度を生かしてタンパク質の各刺激に対する動的構造変化や動態解析も可能となる．本総説では，クライオ電子顕微鏡単粒子構造解析の原理と，これを可能にした画像記録装置と解析手法の進歩について解説し，さらに動的なタンパク質構造解析への応用についても紹介する．, 2017年のノーベル化学賞はクライオ電子顕微鏡法を開発した3人の研究者に贈られた．これまでタンパク質の構造解析法としてはX線結晶解析とNMRが絶対的存在であったが，この3氏を中心とした多くの研究者の半世紀に及ぶ努力の結果，クライオ電子顕微鏡法は近年第3番目のタンパク質構造解析手法として位置付けられることになった [1]．, 本手法の特徴は，直接タンパク質試料の画像を電子顕微鏡(電顕)で撮影して構造解析するため，これまでのようにタンパク質を結晶化したり同位元素でラベルしたりする必要がなく，より天然に近い状態で構造解析できることにある．また微量の試料によって解析が行える点でも優れている．さらに，分子量による解析の制限が緩く，逆にこれまでの手法とは異なり高分子量であればあるほど解析に有利である．Figure 1にこれまでクライオ電顕法を用いて原子分解能で構造解析されているタンパク質の例を示す．小さなものは数十キロダルトンのタンパク質から大きなものでは数百メガダルトンのウイルス粒子まで同じ方法で解析できる．. クライオ電子顕微鏡は、結晶化が困難な、膜タンパク質やタンパク質複合体、抗体などの構造解析に有効な手法です。 Modification of illustration by Alan Merk et al.,Cryo-EM resolution s barriers to facilitate drug discovery, Cell, 2016 Vol165, 1698-1707.