ＸＦＥＬコヒーレント回折イメージングによる細胞周期依存的ＤＮＡ核内分布の解明

• Project/Area Number: 15J01707
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Biophysics
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: 関口 優希 慶應義塾大学, 理工学研究科, 特別研究員(DC2)
• Project Period (FY): 2015-04-24 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥1,700,000 (Direct Cost: ¥1,700,000); Fiscal Year 2016: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000); Fiscal Year 2015: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
• Keywords: コヒーレントX線回折イメージング / 位相回復 / 細胞核 / 構造解析 / コヒーレントＸ線回折イメージング

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、X線自由電子レーザーを利用したコヒーレント回折イメージングにより、1マイクロメートル程度の出芽酵母細胞核を「丸ごと」、「ありのまま」の姿で三次元的に可視化することを目的としている。昨年度得られた三次元構造は、有効分解能が約170 nmと低かった。これを高分解能化すべく、３点の高度化を行った。
１、「阿修羅」の自動化：昨年度開発を行った、回折パターンから高信頼度で位相回復計算を行うソフトウェア「阿修羅」であるが、一部でユーザーの入力が不可欠な部分があり、自動化が困難となっていた。このアルゴリズムを自動化し、計算資源さえあればほぼ自動で膨大な投影像回復を行うことができるようにした。
２、粒子投影像構造精密化手法の開発：二次元投影像が十分高分解能であることが、投影像を組み合わせて高分解能三次元再構成の大前提である。そこで、低分解能の投影像を、焼きなまし法で高分解能化する手法を開発した。
３、回折パターンのピックアップ手法の開発：一度の実験で150万程度の十分な強度を持った回折パターンが得られるが、真に良好なデータをここから選び出すには、目で1つ1つ見るほかなく、解析上の律速となっていた。そこで、機械学習を利用し、予め人が目で見た選んだものと似たものを自動で取得することを可能にした。
これらの高度化を行った後、出芽酵母細胞核について測定を重ね、前年度の10倍以上の投影像を得た後、高分解能化を行った。更に、電子顕微鏡の単粒子解析で行われている三次元クラス分け手法を用いた。これらの試行錯誤を経た後、得られた三次元構造の最終有効分解能は150 nmであった。10倍に投影像を増やしても大きく改善しない所を見ると、各個体の構造が150 nm分解能程度でしか共通していない可能性が考えられる。構造の多様性をこのような大きさの生体粒子で検討することが出来たのは、本研究が初めてだろう。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Common structural features of toxic intermediates from α-synuclein and GroES fibrillogenesis detected using cryogenic coherent X-ray diffraction imaging (2017)
  • Author(s): H. Kameda, S. Usugi, M. Kobayashi, N. Fukui, S. Lee, K. Hongo, T. Mizobata, Y. Sekiguchi, Y. Masaki, A. Kobayashi, T. Oroguchi, M. Nakasako, Y. Takayama, M. Yamamoto, and Y. Kawata
  • Journal Title: Journal of Biochemistry (Tokyo) Volume: １６１ Issue: 1 Pages: 55-65
  • DOI: 10.1093/jb/mvw052
  • NAID: 40021091513
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Specimen preparation for cryogenic coherent X-ray diffraction imaging of biological cells and organelles using X-ray free-electron laser at SACLA (2016)
  • Author(s): A. Kobayashi, Y. Sekiguchi, T. Oroguchi, K. Okajima, A. Fukuda, M. Oide, M. Yamamoto and M. Nakasako
  • Journal Title: Journal of Synchrotron Radiation Volume: 23 Issue: 4 Pages: 975-989
  • DOI: 10.1107/s1600577516007736
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] TAKASAGO-6 apparatus for cryogenic coherent X-ray diffraction imaging of biological non-crystalline particles using X-ray free electron laser at SACLA (2016)
  • Author(s): A. Kobayashi, Y. Sekiguchi, Y. Takayama, T. Oroguchi, K. Shirahama, Y. Torizuka, M. Manoda, M. Nakasako* and M. Yamamoto
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 87 Issue: 5 Pages: 053109-053109
  • DOI: 10.1063/1.4948317
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Classification and assessment of retrieved electron density maps in coherent X-ray diffraction imaging using multivariate statistics (2016)
  • Author(s): Y. Sekiguchi, T. Oroguchi and M. Nakasako
  • Journal Title: Journal of Synchrotron Radiation Volume: 23 Issue: 1 Pages: 312-323
  • DOI: 10.1107/s1600577515018202
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Cryogenic coherent x-ray diffraction imaging for biological non-crystalline particles using the KOTOBUKI-1 diffraction apparatus at SACLA (2015)
  • Author(s): Tomotaka Oroguchi, Yuki Sekiguchi, Amane Kobayashi,Yu Masaki, Asahi Fukuda, Saki Hashimoto, Masayoshi Nakasako, Yuichi Ichikawa, Hitoshi Kurumizaka, Mitsuhiro Shimizu et al.,
  • Journal Title: Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics Volume: 48 Issue: 18 Pages: 184003-184003
  • DOI: 10.1088/0953-4075/48/18/184003
  • Peer Reviewed
• [Presentation] XFELコヒーレント回折イメージングによるシアノバクテリアの三次元構造解析 (2017)
  • Author(s): 小林周、関口優希、岡島公司、苙口友隆、中迫雅由、乾弥生、平川健、松永幸大、山本雅貴
  • Organizer: 第30回放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
  • Place of Presentation: 神戸芸術センター(兵庫県・神戸市)
  • Year and Date: 2017-01-07
• [Presentation] ソフトウェア「閻魔」を用いた銅キューブのコヒーレントX線回折イメージングデータの分類 (2017)
  • Author(s): 吉留崇、関口優希、山本隆寛、苙口友隆、中迫雅由、池口満徳
  • Organizer: 第30回放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
  • Place of Presentation: 神戸芸術センター(兵庫県・神戸市)
  • Year and Date: 2017-01-07
• [Presentation] XFELコヒーレント回折イメージング実験におけるデータ解析の高度化と酵母細胞核の三次元構造解析への適用 (2017)
  • Author(s): 関口優希、小林周、岡島公司、苙口友隆、中迫雅由、山本雅貴
  • Organizer: 第30回放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
  • Place of Presentation: 神戸芸術センター(兵庫県・神戸市)
  • Year and Date: 2017-01-07
• [Presentation] XFELによる細胞の構造解析に向けたホログラフィックX線回折イメージング法の開発 (2017)
  • Author(s): 高山裕貴、山本雅貴、米倉功治、小林周、関口優希、岡島公司、苙口友隆、中迫雅由、乾弥生、松永幸大
  • Organizer: 第30回放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
  • Place of Presentation: 神戸芸術センター(兵庫県・神戸市)
  • Year and Date: 2017-01-07
• [Presentation] XFELコヒーレント低温X線回折イメージングによる磁性細菌の構造解析 (2017)
  • Author(s): 山本隆寛、関口優希、小林周、岡島公司、苙口友隆、中迫雅由、山本雅貴、加藤貴之
  • Organizer: 第30回放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
  • Place of Presentation: 神戸芸術センター(兵庫県・神戸市)
  • Year and Date: 2017-01-07
• [Presentation] Reconstruction of three-dimensional structures of a protein with software ENMA and EMC algorithm: A simulation for XFEL-CXDI experiment (2016)
  • Author(s): Takashi Yoshidome, Yuki Sekiguchi, Tomotaka Oroguchi, Masayoshi Nakasako, Mitsunori Ikeguchi
  • 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)
  • Year and Date: 2016-11-25
• [Presentation] Three-dimensional structure of a cyanobacterium visualized by cryogenic coherent X-ray diffraction imaging using X-ray free-electron laser (2016)
  • Author(s): Amane Kobayashi, Yuki Sekiguchi, Koji Okajima, Tomotaka Oroguchi, Masayoshi Nakasako, Yayoi Inui, Takeshi Hirakawa, Sachihiro Matsunaga, Masaki Yamamoto
  • 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)
  • Year and Date: 2016-11-25
• [Presentation] Automated data analyses for 3D structural reoncstruction of yeast nuclei in coherent diffraction imaging using X-ray free-electron laser (2016)
  • Author(s): Yuki Sekiguchi, Amane Kobayashi, Koji Okajima, Tomotaka Oroguchi, Masayoshi Nakasako
  • 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)
  • Year and Date: 2016-11-25
• [Presentation] Cryogenic coherent diffraction imaging of biological samples with synchrotron and X-ray laser (2016)
  • Author(s): Yuki Takayama, Masaki Yamamoto, Koji Yonekura, Yuki Sekiguchi, Amane Kobayashi, Koji Okajima, Tomotaka Oroguchi, Masayoshi Nakasako, Yayoi Inui, Sachihiro Matsunaga
  • Organizer: 13th International Conference on X-ray Microscopy
  • Place of Presentation: Oxford (UK)
  • Year and Date: 2016-08-15
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] クライオ試料固定照射装置『高砂六号』による生体非結晶試料の高効率低温コヒーレントX線回折イメージング実験 (2016)
  • Author(s): 小林周、関口優希、岡島公司、苙口友隆、中迫雅由、橋本早紀、福田朝陽、大出真央、真崎悠、高山裕貴、山本雅貴
  • Organizer: 第29回放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
  • Place of Presentation: 柏の葉カンファレンスセンター(千葉県柏市若柴178-4 柏の葉キャンパス148街区2)
  • Year and Date: 2016-01-09
• [Presentation] XFEL低温コヒーレント回折イメージングによる酵母細胞核の三次元構造解析 (2016)
  • Author(s): 関口優希、小林周、岡島公司、苙口友隆、中迫雅由、市川雄一、胡桃坂仁志、清水光弘、山本雅貴
  • Organizer: 第29回放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
  • Place of Presentation: 柏の葉カンファレンスセンター(千葉県柏市若柴178-4 柏の葉キャンパス148街区2)
  • Year and Date: 2016-01-09
• [Presentation] コヒーレントX線回折イメージングで解き明かされ始めた細胞の姿 (2016)
  • Author(s): 中迫雅由、関口優希、小林周、苙口友隆、吉留崇、山本雅貴
  • Organizer: 第29回放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
  • Place of Presentation: 柏の葉カンファレンスセンター(千葉県柏市若柴178-4 柏の葉キャンパス148街区2)
  • Year and Date: 2016-01-09
  • Invited
• [Presentation] Three-dimensional structure of yeast nucleus visualized by cryogenic coherent diffraction imaging using X-ray free-electron laser (2015)
  • Author(s): 関口優希、小林周、苙口友隆、中迫雅由、市川雄一、胡桃坂仁志、清水光弘、山本雅貴
  • Organizer: 第53回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 金沢大学角間キャンパス(石川県金沢市角間町)
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Presentation] Cryogenic coherent X-ray diffraction imaging of cellular organelle by using XFEL (2015)
  • Author(s): 関口優希、小林周、苙口友隆、中迫雅由、高山裕貴、山本雅貴、乾弥生、松永幸大、市川雄一、胡桃坂仁志、清水光弘
  • Organizer: 第53回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 金沢大学角間キャンパス(石川県金沢市角間町)
  • Year and Date: 2015-09-13
  • Invited
• [Presentation] 低温コヒーレントＸ線回折イメージングによる細胞内小器官の構造研究 (2015)
  • Author(s): 中迫雅由、関口優希、小林周、苙口友隆、乾弥生、松永幸大、市川雄一、胡桃坂仁志、清水光弘、高山裕貴、山本雅貴
  • Organizer: 第１５回日本蛋白質科学会年会
  • Place of Presentation: あわぎんホール(徳島県徳島市藍場町２丁目１４番地)
  • Year and Date: 2015-06-24
  • Invited