現在世界で稼働しているXFEL施設の一つであるSACLAは、SPring-8のような放射光施設に比べ約10億倍明るいX線を1秒間に最大60回、100兆分の1秒以下のパルスで出力することができます。したがって、従来は超低温で行われていたμmサイズの構造解析が常温で行えるようになってきました。

今回、研究グループでは、立体構造が未知である場合において、原子の異常分散効果のみを用いて構造解析する単波長異常分散法（Single-wavelength Anomalous Diffraction, 以下SAD法）を用いて、2種類のタンパク質の微結晶から構造決定を行いました。SAD法では一般的にメチオニンというアミノ酸を、解析の目印となるセレンを含むセレノメチオニンに置き換えたタンパク質結晶を用います。SACLAは、セレン原子の異常分散効果を利用した SAD 法に必須の約13keVという高いエネルギーのX線を安定に発生させることができるように設計されています。今回はSACLAの特徴をうまく活かしてセレンがどこに位置しているかしっかりと確かめることができました。そのため、最少でわずか13,000枚のX線回折イメージから構造解析可能なデータセットを取得できました。今後SACLAを使うことで新規タンパク質微結晶の迅速なX線結晶構造解析が可能であることを示唆する結果です。

本研究の成果は、英国の科学雑誌IUCrJに平成29年8月10日にオンライン出版されました。

図1　Stemの微結晶

※1 理化学研究所と高輝度光科学研究センター（JASRI）による日本初のX線自由電子レーザー（XFEL：X-ray FreeElectronLaser）施設。加速器の中で電子の固まりを正確な制御の下で一斉に振動させ、0.1ナノメートル以下という世界最短波長のX線レーザーを発振する。

XFEL光は従来の放射光施設からのX線に比べると非常に輝度が高いことから、これまで解析が困難であった膜タンパク質に代表される創薬のターゲットタンパク質の構造解析への適用が期待されています。SACLAでは硫黄、銅などの異常分散効果を用いたSAD法による構造決定が行われてきましたが、必要な回折イメージの枚数が多かったり特殊な金属元素の導入が必要であったりするなどの問題がありました。

アミノ酸の一部をセレノメチオニンに入れ替える手法はタンパク質の構造決定において代表的なものであり、多くの研究者の間でノウハウが蓄積されています。加えてSACLAはセレンの異常分散効果を最大限に得る高エネルギーX線を安定に出力できることが大きな特徴です。そこで本研究ではSACLAの高エネルギーXFEL光を用い、効率良く新規タンパク質の立体構造を決定することに成功しました。

本研究グループはタンパク質結晶構造決定の目印としてセレンを用いました。構造決定のためにタンパク質を大量に作成する際、本来はメチオニンの硫黄原子がセレンに置換されたセレノメチオニンを導入し、セレンが結合したタンパク質を作成します。次にセレン を導入したStemとACGという2種類のタンパク質のμmサイズの微結晶を作成し、XFEL光を用いてセレンの異常分散効果を得ました。SACLAが生み出すXFEL光は非常に明るく結晶を損傷させてしまうため1つの結晶に対して1枚のイメージデータしか測定できません。そのためインジェクターから連続的に押し出される結晶へX線を順次照射する手法で測定を行いました。この方法により、Stemでは13,000枚、ACGは60,000枚のイメージデータを収集し、構造を決定することに成功しました。最少約1万枚のイメージデータで構造決定できたことにより、標準的な実験条件において約1時間の測定で新規タンパク質の立体構造を決定できることが示されました。

これに加えて既に2015年に構造決定の目印として水銀を用いて立体構造を決定したLREというタンパク質についても最新の技術を用いてデータ処理を行いました。その結果、11,000枚のデータで立体構造を決定することができました。

図2　SAD法によるStemの初期電子密度図

今回実証した手法は多くのタンパク質に適用できる非常に汎用性が高い方法です。生命の維持に関わり創薬のターゲットになっているにもかかわらず大きな結晶を作成することが困難な膜タンパク質にも適用できると考えられます。

しかし、今回の方法は1つの結晶から1枚の回折イメージしか測定できないシリアルフェムト秒構造解析で行うため、まだ正確なX線回折強度の情報が効率よく引き出すことができていないと考えられます。今後、より正確な強度データを見積もる方法を開発していくことにより、構造決定できるまでの処理枚数をさらに減らしていくことが課題でしょう。

図3　Stemタンパク質の立体構造

本研究は文部科学省X線自由電子レーザー重点戦略研究課題「創薬ターゲット蛋白質の迅速構造解析法の開発」、科学研究費助成事業挑戦的萌芽研究「創薬ターゲットの構造解析実現を目指したXFEL光による新規構造決定法の開発」などの支援を受け実施されました。

京都大学大学院薬学研究科中津亨准教授、村井智洋大学院生、潘東青元研究員、加藤博章教授、理化学研究所放射光科学総合研究センタービームライン基盤研究部山下恵太郎基礎科学特別研究員、東京大学大学院理学系研究科中根崇智特任助教、高エネルギー加速器研究機構(KEK)物質構造科学研究所構造生物学研究センター桑原直之研究員、湯本史明特任准教授、大阪大学大学院工学研究科溝端栄一講師、同蛋白質研究所鈴木守准教授、理化学研究所放射光科学総合研究センターSACLA利用技術開拓グループ岩田想グループディレクター（京都大学大学院医学研究科教授）、高輝度光科学研究センターXFEL利用研究推進室登野健介チームリーダー等による合同研究チームにより行われました。

タイトル Experimental phase determination with selenomethionine or mercury-derivatization in serial femtosecond crystallography

著者 Yamashita, K.; Kuwabara, N.; Nakane, T.; Murai, T.; Mizohata, E.; Sugahara, M.; Pan, D.; Masuda, T.; Suzuki, M.; Sato, T.; Kodan, A.; Yamaguchi, T.; Nango, E.; Tanaka, T.; Tono, K.; Joti, Y.; Kameshima, T.; Hatsui, T.; Yabashi, M.; Manya, H.; Endo, T.; Kato, R.; Senda, T.; Kato, H.; Iwata, S.; Ago, H.; Yamamoto, M.; Yumoto, F.; Nakatsu, T.

掲載誌 IUCrJ