2019 Fiscal Year Annual Research Report
Challenge to near atomic resolution AFM image by fusion of high-speed AFM and advanced image analysis
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18K19287
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| Research Institution | Kanazawa University |
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Principal Investigator |
柴田 幹大 金沢大学, ナノ生命科学研究所, 准教授 (80631027)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2020-03-31
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| Keywords | タンパク質 / バイオイメージング / 原子間力顕微鏡 / 画像解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、生体分子のダイナミクスを１ナノメートル以下の分解能で撮影できる高速原子間力顕微鏡（高速AFM）を、単粒子解析法やディープラーニングによる画像解析と融合することにより、高速AFM画像の空間分解能をオングストロームまで向上させ、タンパク質部位の揺らぎ・構造変化を定量化できる高度画像解析システムの構築を目指した。
具体的には、単粒子解析ソフトRelion3.0を用い、低温電子顕微鏡画像で成果を上げている様々な解析手法を高速AFM画像へ適用した。最初に、GPUを搭載したサーバーにRelion3.0をインストールし、カルシウムカルモジュリン依存性プロテインキナーゼII（CaMKII）の高速AFM画像に対して画像解析を行った。CaMKIIの高速AFM動画には、多量体の中心に動きの少ないハブドメインと、その周りに揺らぎの大きなキナーゼドメインが観察される。この動画に対して、MotionCor2を用い、サブナノメートルの精度で約200枚の画像をドリフト補正し積算画像を取得した。その結果、ハブドメインはより鮮明に見えたが、キナーゼドメインはぼやけた画像になることが分かった。これは、タンパク質の動きの少ない部位はさらに空間分解能が上がる一方で、揺らぎの大きな部位は画像を積算することにより、分解能が下がることを意味し、これを利用して、タンパク質内のどの部位が、どの程度の揺らぎを持つのかを定量化することができた。さらに、ディープラーニングソフトウェアを用いて、ハブドメインのセグメンテーションと中心座標の取得、及び、各キナーゼドメインの座標を取得し、ハブドメインとの距離を測ることで、多量体内の各キナーゼドメインの運動や連動性を見出した。このように、高速AFM画像に対して様々な画像解析を適用するシステムを構築したことにより、これまで以上に多くの情報を客観的な解析により引き出せるようになった。
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[Journal Article] Macrocyclic peptide-based inhibition and imaging of hepatocyte growth factor.2019
Author(s)
Katsuya Sakai, Toby Passioura, Hiroki Sato, Kenichiro Ito, Hiroki Furuhashi, Masataka Umitsu, Junichi Takagi, Yukinari Kato, Hidefumi Mukai, Shota Warashina, Maki Zouda, Yasuyoshi Watanabe, Seiji Yano, Mikihiro Shibata, Hiroaki Suga*, and Kunio Matsumoto
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Journal Title
Nat. Chem. Biol.
Volume: 15
Pages: 598-606
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Crystal structure of Heliorhodopsin.2019
Author(s)
W. Shihoya, K. Inoue, M. Singh, M. Konno, S. Hososhima, K. Yamashita, K. Ikeda, A. Higuchi, S. Okazaki, T. Izume, M. Hashimoto, R. Mizutori, S. Tomida, Y. Yamauchi, R. Abe-Yoshizumi, K. Katayama, S. P.Tsunoda, M. Shibata, Y. Furutani, A. Pushkarev, O. Beja, T. Uchihashi, H. Kandori and O. Nureki
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Journal Title
Nature
Volume: 574
Pages: 132-136
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Presentation] Structure and biophysical characterization of the heliorhodopsin.2019
Author(s)
W. Shihoya, K. Inoue, M. Singh, M. Konno, S. Hososhima, K. Yamashita, K. Ikeda, A. Higuchi, S. Okazaki, T. Izume, M. Hashimoto, R. Mizutori, S. Tomida, Y. Yamauchi, R. Abe-Yoshizumi, K. Katayama, S. P.Tsunoda, M. Shibata, Y. Furutani, A. Pushkarev, O. Beja, T. Uchihashi, H. Kandori and O. Nureki
Organizer
57th日本生物物理学会年会
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