スパースモデリングによる電顕単粒子構造解析の迅速・高分解能化

• Project Area: Initiative for High-Dimensional Data-Driven Science through Deepening of Sparse Modeling
• Project/Area Number: 16H01562
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: 佐藤 主税 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 生命工学領域, 研究グループ長 (00357146)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥7,150,000 (Direct Cost: ¥5,500,000、Indirect Cost: ¥1,650,000); Fiscal Year 2017: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2016: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
• Keywords: 蛋白質 / ナノバイオ / 脳・神経 / 電子顕微鏡 / アルゴリズム

Outline of Annual Research Achievements

我々生体内の機能分子の主役は様々な種類のタンパク質である。そのため、薬はタンパク質に結合してその機能を調整することで働くものが多い。創薬には、タンパク質構造を解明して、薬との結合ポケットの形を決定することが重要なステップの一つである。近年、様々な向きの電顕像から構造決定する単粒子解析法が進歩し、一部のターゲットで原子分解能に到達した。しかし、分解能が低いことも多い。向きの偏りは大きな理由の一つである。ここでは、向きの偏りを、負染色法ではカーボン膜の電荷を調整することで改善し、疎な投影角度の問題はスパースモデリング(SpM)・ベイズ法を応用した画像処理法開発を進めた。負染色法を用い、構造未知なタンパク質の構造決定に関して、北大の前仲グループと共同し、免疫寛容の形成に重要な、HLA/MHCの特殊型(50kDaほど)の初めての構造決定に成功しJournal of Immunology誌に発表した。本研究をさらに進めることは、アレルギー・自己免疫疾患など様々な免疫系の疾患の克服に貢献すると思われる。また、巨大な複合体形成の細胞内観察のために、免疫電顕のための系開発として、院内感染菌の一部と神経初代培養細胞をラベルできる条件を開発した。また、さらなる高分解能に向けてクライオ電顕自体の開発としては、電子線検出で最高感度を有する電子線直接検出カメラを収差補正機Cs correctorと組み合わせインストールすることに成功した。また、DNA折り紙の足場中のイオンチャネルが作用薬と結合することにより、ダイナミックに構造変化する様子をAFMで撮影した。さらに、その構造変化を、画像情報処理によって可視化しAngewandte Chemie誌に発表した。今後は、本開発を基に更なる解析ソフト開発によって、決定される分解能の向上に努めたい。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Imaging of immunogold labeling in cells and tissues by helium ion microscopy (2018)
  • Author(s): Sato Chikara、Sato Mari、Ogawa Shinichi
  • Journal Title: International Journal of Molecular Medicine Volume: 42 Pages: 309-321
  • DOI: 10.3892/ijmm.2018.3604
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The Composition and Structure of Biofilms Developed by Propionibacterium acnes Isolated from Cardiac Pacemaker Devices. (2018)
  • Author(s): Okuda K, Nagahori R, Yamada S, Sugimoto S, Sato C, Sato M, Iwase T, Hashimoto K, Mizunoe Y.
  • Journal Title: Front Microbiol. Volume: 9 Pages: 182-182
  • DOI: 10.3389/fmicb.2018.00182
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] DNA Origami Scaffolds as Templates for Functional Tetrameric Kir3 K+ Channels (2018)
  • Author(s): Kurokawa Tatsuki、Kiyonaka Shigeki、Nakata Eiji、Endo Masayuki、Koyama Shohei、Mori Emiko、Tran Nam Ha、Dinh Huyen、Suzuki Yuki、Hidaka Kumi、Kawata Masaaki、Sato Chikara、Sugiyama Hiroshi、Morii Takashi、Mori Yasuo
  • Journal Title: Angew. Chem. Int. Ed. Engl. Volume: 57 Issue: 10 Pages: 2586-2591
  • DOI: 10.1002/anie.201709982
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mutation in ESBL Plasmid from Escherichia coli O104:H4 Leads Autoagglutination and Enhanced Plasmid Dissemination (2018)
  • Author(s): Poidevin Mickael、Sato Mari、Altinoglu Ipek、Delaplace Manon、Sato Chikara、Yamaichi Yoshiharu
  • Journal Title: Frontiers in Microbiology Volume: 9
  • DOI: 10.3389/fmicb.2018.00130
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] <i>In-Situ</i> Observation for Formations of Gold Micrometer-Sized Particles in Liquid Phase Using Atmospheric Scanning Electron Microscopy (ASEM) (2018)
  • Author(s): Y.Matsuno, E.Okonogi, A.Yoshimura, M.Sato and C. Sato.
  • Journal Title: MATERIALS TRANSACTIONS Volume: 59 Issue: 1 Pages: 146-149
  • DOI: 10.2320/matertrans.M2017259
  • NAID: 130006279179
  • ISSN: 1345-9678, 1347-5320
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Correlative light-electron microscopy in liquid using?an inverted SEM (ASEM) (2017)
  • Author(s): Sato Chikara、Kinoshita Takaaki、Memtily Nassirhadjy、Sato Mari、Nishihara Shoko、Yamazawa Toshiko、Sugimoto Shinya
  • Journal Title: Methods in Cell Biology Volume: 140 Pages: 187-213
  • DOI: 10.1016/bs.mcb.2017.03.015
  • ISBN: 9780128099759
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Lipid environment of membrane proteins in cryo-EM based structural analysis (2017)
  • Author(s): Mio Kazuhiro、Sato Chikara
  • Journal Title: Biophysical Reviews Volume: 10 Issue: 2 Pages: 307-316
  • DOI: 10.1007/s12551-017-0371-6
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The Atmospheric Scanning Electron Microscope (ASEM) observes the axonal compartmentalization and microtubule formation in neurons. (2017)
  • Author(s): Kinoshita Takaaki、Sato Chikara、Nishihara Shoko
  • Journal Title: Microscopy and Microanalysis Volume: 23 Issue: S1 Pages: 1298-1299
  • DOI: 10.1017/s1431927617007152
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Class II-like structural features and strong receptor binding of the non-classical HLA-G2 isoform homodimer. (2017)
  • Author(s): K.Kuroki, K.Mio, A.Takahashi, H.Matsubara, Y.Kasai, S.Manaka, M.Kikkawa, D.Hamada, C.Sato, K.Maenaka.
  • Journal Title: J Immunology Volume: 198 Issue: 9 Pages: 3399-3403
  • DOI: 10.4049/jimmunol.1601296
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Short stop mediates axonal compartmentalization of mucin-type core 1 glycans. (2017)
  • Author(s): T.Kinoshita, C.Sato, TJ.Fuwa, S.Nishihara.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 7 Issue: 1 Pages: 41455-41455
  • DOI: 10.1038/srep41455
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Secretory glands and microvascular systems imaged in aqueous solution by atmospheric scanning electron microscopy (ASEM). (2016)
  • Author(s): T.Yamazawa, N.Nakamura, M.Sato, C.Sato.
  • Journal Title: Microsc Res Tech Volume: 79 Issue: 12 Pages: 1179-1187
  • DOI: 10.1002/jemt.22773
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Development of atmospheric scanning electron microscope (ASEM) and its applications. (2016)
  • Author(s): C.Sato, N.Memitily, M.Sato, T.Yamazawa, S.Sugimoto.
  • Journal Title: Microscopy Volume: 66 Issue: suppl 1 Pages: i19.2-i19
  • DOI: 10.1093/jmicro/dfw088
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Imaging of bacterial biofilms in solution by atmospheric scanning electron microscopy. (2016)
  • Author(s): S.Sugimoto, K.Okuda, R.Miyakawa, M.Sato, A.Chiba, Y.Muzunoe, C.Sato.
  • Journal Title: Microscopy Volume: 65 Issue: suppl 1 Pages: i17.2-i17
  • DOI: 10.1093/jmicro/dfw051
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Exocrine Organs Imaged in Aqueous Solution by Atmospheric Scanning Electron Microscopy (ASEM). (2016)
  • Author(s): T.Yamazawa, N.Nakamura, Y.Mikami, H.Sekiya, M.Sato, C.Sato.
  • Journal Title: Microscopy Volume: 65 Issue: suppl 1 Pages: i17.1-i17
  • DOI: 10.1093/jmicro/dfw050
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Imaging of bacterial multicellular behaviour in biofilms in liquid by atmospheric scanning electron microscopy. (2016)
  • Author(s): S.Sugimoto, K.Okuda, R.Miyakawa, M.Sato, K.Arita-Morioka, A.Chiba, K.Yamanaka, T.Ogura, Y.Mizunoe, C.Sato.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 6 Issue: 1 Pages: 258891-258891
  • DOI: 10.1038/srep25889
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mice lacking the intracellular cation channel TRIC-B have compromised collagen production and impaired bone mineralization. (2016)
  • Author(s): C.Zhao, A.Ichimura, N.Qian, T.Iida, D.Yamazaki, N.Noma, M.Asagiri, K.Yamamoto, S.Komazaki, C.Sato, F.Aoyama, A.Sawaguchi, S.Kakizawa, M.Nishi, and H.Takeshima.
  • Journal Title: science signaling Volume: 9 Issue: 428
  • DOI: 10.1126/scisignal.aad9055
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] 水中が見られる大気圧走査電子顕微鏡（ASEM）の開発と微生物・組織の観察． (2016)
  • Author(s): 佐藤主税、奥田賢一、宮川玲奈、佐藤真理、千葉明生、水之江義充、杉本真也．
  • Journal Title: 無菌生物 Volume: 46 Pages: 26-27
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 電子顕微鏡による親水環境での観察：Cryo-TEMとASEM (2018)
  • Author(s): 佐藤 主税
  • Organizer: 第13回先端表面技術展・会議
  • Invited
• [Presentation] 親水環境での電子顕微鏡観察：クライオ透過電顕と大気圧走査電顕 (2018)
  • Author(s): 佐藤 主税
  • Organizer: 第123回日本解剖学会総会・全国学術集会
  • Invited
• [Presentation] 大気圧電子顕微鏡ASEMによる組織・細胞の水中迅速観察 (2017)
  • Author(s): 佐藤 主税，Memtily Nassirhadjy，山澤 德志子，佐藤 真理，杉本 真也
  • Organizer: 日本顕微鏡学会第73回学術講演会
• [Presentation] TEMとSEMによる組織・細胞・タンパク質の親水環境での観察 (2017)
  • Author(s): 佐藤 主税
  • Organizer: 第37回日本骨形態計測学会
  • Invited
• [Presentation] 親水環境での生物試料の電子顕微鏡観察：クライオ電顕と大気圧走査電顕 (2017)
  • Author(s): 佐藤 主税
  • Organizer: 第6回 蛍光イメージングミニシンポジウム
• [Presentation] 環境型ハイブリッドSEMの基礎と応用 (2017)
  • Author(s): 佐藤 主税
  • Organizer: 第28回電顕サマースクール2017
  • Invited
• [Presentation] Cryo-TEMと大気圧走査電顕(ASEM)による親水環境での観察：タンパク質・細胞・組織を中心として (2017)
  • Author(s): 佐藤 主税
  • Organizer: 第67回UV/EB研究会
  • Invited
• [Presentation] Microscopy of Molecular Complexes, Cells and Tissues in Hydrophilic Environments Using Cryo-TEM and ASEM (2017)
  • Author(s): C.Sato, M.Kawata, M.Ohashi, M.Ikeda, M.Koshino, T.Yamazawa, T.Ebihara, M.Sato, N.Memtily.
  • Organizer: 日本顕微鏡学会 第６０回記念シンポジウム
• [Presentation] TRPイオンチャネル機構の動的構造基盤． (2016)
  • Author(s): 三尾和弘、池崎圭吾、関口博史、佐々木裕次、清中茂樹、森泰生、佐藤主税．
  • Organizer: TRP研究会2016
  • Place of Presentation: 生理学研究所(愛知県岡崎市)
• [Presentation] 大気圧電子顕微鏡ASEMによる消化管組織の水中迅速観察． (2016)
  • Author(s): 佐藤主税、Memtily Nassirhadjy、岡田知子、佐藤真理、海老原達彦、川田正晃、山澤德志子．
  • Organizer: 日本顕微鏡学会第72回学術講演会
  • Place of Presentation: 仙台国際センター（仙台市青葉区）
• [Presentation] 電子顕微鏡による親水環境での組織・細胞・分子の構造観察． (2016)
  • Author(s): 佐藤主税，海老原達彦，奥田賢一，川田正晃，佐藤真理，山澤德志子，水之江義充，杉本真也．
  • Organizer: 第58回歯科基礎医学会学術大会
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター（札幌市白石区）
  • Invited
• [Presentation] クライオTEM単粒子解析とASEMによる親水環境での電子顕微鏡観察． (2016)
  • Author(s): 佐藤主税、海老原達彦、メムテリ ナシルハジ、岡田知子、佐藤真理、川田正晃．
  • Organizer: 第89回日本生化学会大会
  • Place of Presentation: 東北大学川内北キャンパス（仙台市青葉区）
• [Presentation] Observation of tissues in solution using atmospheric SEM: Applicability for quick intraoperative cancer diagnosis. (2016)
  • Author(s): C.Sato, N.Memtily, T.Okada, M.Kawata, M.Sato, T.Yamazawa.
  • Organizer: 21th World Congress on Advances in Oncology and 19th International Symposium on Molecular Medicine
  • Place of Presentation: Athens（ギリシャ）
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Electromicroscopy of protein complex rearrangements in hydrophilic conditions and in cells and tissues. (2016)
  • Author(s): C.Sato, Nassirhadjy Memtily, M.Kawata, M.Sato, T.Ebihara
  • Organizer: Joint meeting of the 22nd International Congress of Zoology and the 87th meeting of the Zoological Society of Japan,
  • Place of Presentation: 沖縄コンベンションセンター（沖縄県宜野湾市）
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of atmospheric scanning electron microscope (ASEM) and its applications (2016)
  • Author(s): C.Sato, N.Memitily, M.Sato, T.Yamazawa, and S.Sugimoto.
  • Organizer: 日本顕微鏡学会第59回シンポジウム
  • Place of Presentation: 帝京平成大学池袋キャンパス（東京都豊島区）
• [Presentation] Imaging of bacterial biofilms in solution by atmospheric scanning electron microscopy. (2016)
  • Author(s): S.Sugimoto, K.Okuda, R.Miyakawa, M.Sato, A.Chiba, Y.Muzunoe, and C.Sato
  • Organizer: 日本顕微鏡学会第59回シンポジウム
  • Place of Presentation: 帝京平成大学池袋キャンパス（東京都豊島区）
• [Presentation] Exocrine Organs Imaged in Aqueous Solution by Atmospheric Scanning Electron Microscopy (ASEM) (2016)
  • Author(s): T.Yamazawa, N.Nakamura, Y.Mikami, H.Sekiya, M.Sato, and C.Sato.
  • Organizer: 日本顕微鏡学会第59回シンポジウム
  • Place of Presentation: 帝京平成大学池袋キャンパス（東京都豊島区）
• [Presentation] TEM とASEM を用いたタンパク質複合体・細胞組織の親水環境での観察 (2016)
  • Author(s): 佐藤主税、Nassirhadjy Memtily、佐藤真理、山澤德志子、川田正晃
  • Organizer: 第54回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: つくば国際会議場（茨城県つくば市）
• [Book] Liquid Cell Electron Microscopy (2016)
  • Author(s): C.Sato, M.Suga
  • Total Pages: 524
  • Publisher: Cambridge University Press
• [Book] Advanced Methods in Structural Biology (2016)
  • Author(s): K.Mio, M.Sato, C.Sato.
  • Total Pages: 340
  • Publisher: Springer