生体分子構造決定

タンパク質や核酸の原子分解能での形状が、分子の回折、散乱、または画像化によってどのように得られ、その信号からモデルが再構築されるか。

Definition

生体分子構造決定とは、回折、共鳴、または画像データから生体高分子の三次元原子座標を得る一連の実験的手法である。

Scope

このトピックでは、主要な構造決定法であるX線結晶構造解析、核磁気共鳴、クライオ電子顕微鏡の物理的基礎を概念レベルで概観する。具体的には、それぞれの方法がどのような物理量を測定し、どのような試料や制約を伴い、データからどのように三次元モデルが構築されるかに焦点を当てる。詳細な装置については生物物理学的技術の分野に属するが、ここでは実験から構造への論理に焦点を当てる。

Core questions

• 各主要な手法はどのような物理信号を測定し、どのように構造を符号化するのか？
• なぜ結晶構造解析、NMR、クライオEMは異なる分子や条件に適しているのか？
• 構造の達成可能な分解能を決定するものは何か？
• 原子モデルはどのように実験データに適合され、検証されるのか？

Key theories

回折と位相問題

結晶の回折パターンは散乱波の振幅を与えるが、その位相は与えない。位相の回復が中心的な障害であり、それが解決されると、モデルが構築される電子密度マップが得られる。

単粒子再構成

クライオEMは、ランダムな配向にある同一粒子の多くのノイズの多い二次元投影を記録し、それらを計算によって三次元密度に結合する。このアプローチの分解能は、直接検出器の登場により劇的に向上した。

Mechanisms

結晶構造解析では、X線が結晶の秩序だった電子から散乱され、測定された強度（位相が回復された後）はフーリエ変換されて電子密度マップとなる。NMRでは、原子核の共鳴周波数と空間を介した結合が、溶液中の構造を制約する原子間距離を示す。クライオEMでは、急速凍結された単一粒子から電子が散乱され、その多数の投影画像がアラインメントされ平均化されて密度となる。いずれの場合も、原子モデルはデータに適合するように精密化され、一致統計と立体化学的検証によって評価される。

Clinical relevance

決定された薬剤標的および疾患関連高分子の構造は、構造に基づく薬剤設計および変異の解釈の基盤となる。本稿で紹介する手法は、臨床的推奨を提供するものではなく、その研究のための教育的背景を提供するものである。

History

X線解析は、1950年代後半にミオグロビンとヘモグロビンという最初のタンパク質構造をもたらした。溶液NMRは、1980年代から生体分子の構造決定を天然状態の分子にまで拡張した。そして、直接電子検出器によって可能になった2010年代のクライオEMの分解能革命は、巨大複合体のほぼ原子分解能の構造を日常的に得られるようにした。

Key figures

• John Kendrew
• Max Perutz
• Kurt Wüthrich
• Richard Henderson

Seminal works

• kendrew1958
• kuhlbrandt2014

Frequently asked questions

なぜ位相問題は結晶構造解析において重要なのか？

回折実験は強度を記録するが、これは波の振幅を与えるものの位相は失われる。位相がなければ電子密度マップを計算できないため、位相の回復は構造を解く上で不可欠である。

単一の構造は分子の動きを完全に捉えるのか？

完全には捉えない。ほとんどの手法は代表的な構造またはアンサンブルを与えるものであり、動きを捉えるには追加の動態測定が必要である。このため、構造研究と動態研究は相補的である。