研究室・教員

研究室紹介

構造生物学研究センター  Structural Biology Research Center
構造生物学研究センター Structural Biology Research Center

准教授
松浦 能行X線結晶学研究グループ(超分子構造学講座)
※研究内容については超分子構造学講座のページを参照ください。
准教授
成田 哲博クライオ電子顕微鏡研究グループ(超分子構造学講座)
※研究内容については超分子構造学講座のページを参照ください。
客員教授
甲斐荘 正恒蛋白質NMR研究グループ
安定同位体利用NMR技術の開発
※研究内容については下記の「蛋白質NMR研究グループ 研究の概要」以下をご参照ください。
    
客員准教授
宮ノ入 洋平蛋白質NMR研究グループ
安定同位体利用NMR技術の開発
※研究内容については下記の「蛋白質NMR研究グループ 研究の概要」以下をご参照ください。
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English
甲斐荘 正恒客員教授(左)と前田 雄一郎シニアリサーチフェロー

構造生物学研究センターは、NMR、クライオ電子顕微鏡、X線結晶構造解析法などをくみあわせて、大きな蛋白質複合体の構造を解明する研究、分子の構造の動きを解明する研究、細胞内での蛋白質の配置を明かにする研究に取り組んでいます。これらの構造の情報を基にして細胞機能を物理と化学の言葉で解明することを目指します。また、当センターに集積している最先端の研究手法と大型装置は全学に開かれています。

蛋白質NMR研究グループ

研究の概要

蛋白質の機能を解明するためには、その立体構造のみならず、他の分子との相互作用やそれに伴う蛋白質の動態変化を理解する必要があります。核磁気共鳴(Nuclear Magnetic Resonance: NMR)法を使えば、溶液中の蛋白質の立体構造やその動きを、原子レベルで知ることが可能です。それゆえNMR法は蛋白質の働きを解明する手段として非常に有用です。しかし、対象となる蛋白質の分子量が増大するにつれ、NMRスペクトルは複雑化してしまいます。そのため、最近までNMRによる蛋白質の構造解析は25kDa以下の大きさの分子に限られ、生物学的に重要な働きをする大きな蛋白質や巨大蛋白質複合体を解析できませんでした。この「分子量の壁」を打破するために、私たちは立体整列同位体標識(stereo-array isotope labeling ; SAIL)法を開発してきました。さらにこの間の研究で、SAIL法は蛋白質分子内部の動きを解析する手段として極めて優れていることが明かになってきました。個々のアミノ酸残基の動きのみならず、蛋白質分子全体の動きまでを知ることができる方法は今のところ他にありません。

SAIL法による高分子量蛋白質の立体構造解析

SAIL法とは、NMRスペクトルのピークの重複を避けるために、測定に必要最小限の原子のみを13Cや15Nといった安定同位体で標識した蛋白質を調製する方法です。SAIL法は、SAILアミノ酸の合成、無細胞系などを用いた蛋白質発現、NMR測定からなります。この方法を用いて分子量限界を25kDから約50kDに押し上げました。さらに大きな蛋白質の構造解析に向けて、新たなSAILアミノ酸を開発しています。

SAIL法による蛋白質の構造の動きの解析

人々はX線結晶構造解析法によって蛋白質の構造を知るようになったため、蛋白質の働きは静止した固有の立体構造により決まるという見方をしてきました。しかし働きを深く理解しようとすると、蛋白質の構造の動きを理解することが必要だと気付かされます。SAIL-NMR法ではシグナルが先鋭化し測定感度が劇的に向上したため、特定のアミノ酸側鎖の動的状態の高精度計測が可能となりました。例えば、TyrおよびPheの芳香環が数百ミリから数秒/回の遅い回転運動をしていることがわかりました(図1、2b)。結晶構造ではこれらの環は分子内にしっかりと埋込まれており回転など不可能とされてきました。すなわちこの側鎖の運動から蛋白質分子全体が“息づく”ような協奏的な内部運動があり、これが蛋白質同士の結合や、リガンド結合によって変化することがわかってきたのです。

さらにシステイン残基間のS-S結合の異性化(図2a)や、蛋白質内部でのプロトンの移動も計測できるようになりました。こうした構造の動きを知ることによって、私たちの蛋白質観が今大きく変貌しようとしています。これは生命科学の新しい地平を拓く研究活動であると同時に、私たちの自然認識を拡げる最前線の活動です。

図1

均一標識(UL)アミノ酸とSAILアミノ酸を利用したNMRスペクトルの比較

図2

蛋白質の内部運動の例 (a) S-S結合の異性化, (b) 芳香環の回転運動

References

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  9. Takeda et al. (2009) J. Am. Chem. Soc. 131: 18556-18562.
  10. Takeda et al (2010) J. Biomol. NMR 46: 45-9.
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