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

• 研究領域: スパースモデリングの深化と高次元データ駆動科学の創成
• 研究課題/領域番号: 16H01562
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 複合領域
• 研究機関: 国立研究開発法人産業技術総合研究所
• 研究代表者: 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)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2018-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2017年度)
• 配分額: 7,150千円 (直接経費: 5,500千円、間接経費: 1,650千円); 2017年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円); 2016年度: 3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円)
• キーワード: 蛋白質 / ナノバイオ / 脳・神経 / 電子顕微鏡 / アルゴリズム

研究実績の概要

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。

現在までの達成度 (段落)

29年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

29年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Imaging of immunogold labeling in cells and tissues by helium ion microscopy (2018)
  • 著者名/発表者名: Sato Chikara、Sato Mari、Ogawa Shinichi
  • 雑誌名: International Journal of Molecular Medicine 巻: 42 ページ: 309-321
  • DOI: 10.3892/ijmm.2018.3604
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The Composition and Structure of Biofilms Developed by Propionibacterium acnes Isolated from Cardiac Pacemaker Devices. (2018)
  • 著者名/発表者名: Okuda K, Nagahori R, Yamada S, Sugimoto S, Sato C, Sato M, Iwase T, Hashimoto K, Mizunoe Y.
  • 雑誌名: Front Microbiol. 巻: 9 ページ: 182-182
  • DOI: 10.3389/fmicb.2018.00182
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] DNA Origami Scaffolds as Templates for Functional Tetrameric Kir3 K+ Channels (2018)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 巻: 57 号: 10 ページ: 2586-2591
  • DOI: 10.1002/anie.201709982
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Mutation in ESBL Plasmid from Escherichia coli O104:H4 Leads Autoagglutination and Enhanced Plasmid Dissemination (2018)
  • 著者名/発表者名: Poidevin Mickael、Sato Mari、Altinoglu Ipek、Delaplace Manon、Sato Chikara、Yamaichi Yoshiharu
  • 雑誌名: Frontiers in Microbiology 巻: 9
  • DOI: 10.3389/fmicb.2018.00130
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] <i>In-Situ</i> Observation for Formations of Gold Micrometer-Sized Particles in Liquid Phase Using Atmospheric Scanning Electron Microscopy (ASEM) (2018)
  • 著者名/発表者名: Y.Matsuno, E.Okonogi, A.Yoshimura, M.Sato and C. Sato.
  • 雑誌名: MATERIALS TRANSACTIONS 巻: 59 号: 1 ページ: 146-149
  • DOI: 10.2320/matertrans.M2017259
  • NAID: 130006279179
  • ISSN: 1345-9678, 1347-5320
  • 査読あり
• [雑誌論文] Correlative light-electron microscopy in liquid using?an inverted SEM (ASEM) (2017)
  • 著者名/発表者名: Sato Chikara、Kinoshita Takaaki、Memtily Nassirhadjy、Sato Mari、Nishihara Shoko、Yamazawa Toshiko、Sugimoto Shinya
  • 雑誌名: Methods in Cell Biology 巻: 140 ページ: 187-213
  • DOI: 10.1016/bs.mcb.2017.03.015
  • ISBN: 9780128099759
  • 査読あり
• [雑誌論文] Lipid environment of membrane proteins in cryo-EM based structural analysis (2017)
  • 著者名/発表者名: Mio Kazuhiro、Sato Chikara
  • 雑誌名: Biophysical Reviews 巻: 10 号: 2 ページ: 307-316
  • DOI: 10.1007/s12551-017-0371-6
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The Atmospheric Scanning Electron Microscope (ASEM) observes the axonal compartmentalization and microtubule formation in neurons. (2017)
  • 著者名/発表者名: Kinoshita Takaaki、Sato Chikara、Nishihara Shoko
  • 雑誌名: Microscopy and Microanalysis 巻: 23 号: S1 ページ: 1298-1299
  • DOI: 10.1017/s1431927617007152
  • 査読あり
• [雑誌論文] Class II-like structural features and strong receptor binding of the non-classical HLA-G2 isoform homodimer. (2017)
  • 著者名/発表者名: K.Kuroki, K.Mio, A.Takahashi, H.Matsubara, Y.Kasai, S.Manaka, M.Kikkawa, D.Hamada, C.Sato, K.Maenaka.
  • 雑誌名: J Immunology 巻: 198 号: 9 ページ: 3399-3403
  • DOI: 10.4049/jimmunol.1601296
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Short stop mediates axonal compartmentalization of mucin-type core 1 glycans. (2017)
  • 著者名/発表者名: T.Kinoshita, C.Sato, TJ.Fuwa, S.Nishihara.
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 7 号: 1 ページ: 41455-41455
  • DOI: 10.1038/srep41455
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Secretory glands and microvascular systems imaged in aqueous solution by atmospheric scanning electron microscopy (ASEM). (2016)
  • 著者名/発表者名: T.Yamazawa, N.Nakamura, M.Sato, C.Sato.
  • 雑誌名: Microsc Res Tech 巻: 79 号: 12 ページ: 1179-1187
  • DOI: 10.1002/jemt.22773
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Development of atmospheric scanning electron microscope (ASEM) and its applications. (2016)
  • 著者名/発表者名: C.Sato, N.Memitily, M.Sato, T.Yamazawa, S.Sugimoto.
  • 雑誌名: Microscopy 巻: 66 号: suppl 1 ページ: i19.2-i19
  • DOI: 10.1093/jmicro/dfw088
  • 査読あり
• [雑誌論文] Imaging of bacterial biofilms in solution by atmospheric scanning electron microscopy. (2016)
  • 著者名/発表者名: S.Sugimoto, K.Okuda, R.Miyakawa, M.Sato, A.Chiba, Y.Muzunoe, C.Sato.
  • 雑誌名: Microscopy 巻: 65 号: suppl 1 ページ: i17.2-i17
  • DOI: 10.1093/jmicro/dfw051
  • 査読あり
• [雑誌論文] Exocrine Organs Imaged in Aqueous Solution by Atmospheric Scanning Electron Microscopy (ASEM). (2016)
  • 著者名/発表者名: T.Yamazawa, N.Nakamura, Y.Mikami, H.Sekiya, M.Sato, C.Sato.
  • 雑誌名: Microscopy 巻: 65 号: suppl 1 ページ: i17.1-i17
  • DOI: 10.1093/jmicro/dfw050
  • 査読あり
• [雑誌論文] Imaging of bacterial multicellular behaviour in biofilms in liquid by atmospheric scanning electron microscopy. (2016)
  • 著者名/発表者名: S.Sugimoto, K.Okuda, R.Miyakawa, M.Sato, K.Arita-Morioka, A.Chiba, K.Yamanaka, T.Ogura, Y.Mizunoe, C.Sato.
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 6 号: 1 ページ: 258891-258891
  • DOI: 10.1038/srep25889
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Mice lacking the intracellular cation channel TRIC-B have compromised collagen production and impaired bone mineralization. (2016)
  • 著者名/発表者名: 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.
  • 雑誌名: science signaling 巻: 9 号: 428
  • DOI: 10.1126/scisignal.aad9055
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 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)
  • 著者名/発表者名: 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．
  • 雑誌名: 無菌生物 巻: 46 ページ: 26-27
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] 電子顕微鏡による親水環境での観察：Cryo-TEMとASEM (2018)
  • 著者名/発表者名: 佐藤 主税
  • 学会等名: 第13回先端表面技術展・会議
  • 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 佐藤 主税
  • 学会等名: 第123回日本解剖学会総会・全国学術集会
  • 招待講演
• [学会発表] 大気圧電子顕微鏡ASEMによる組織・細胞の水中迅速観察 (2017)
  • 著者名/発表者名: 佐藤 主税，Memtily Nassirhadjy，山澤 德志子，佐藤 真理，杉本 真也
  • 学会等名: 日本顕微鏡学会第73回学術講演会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 佐藤 主税
  • 学会等名: 第37回日本骨形態計測学会
  • 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 佐藤 主税
  • 学会等名: 第6回 蛍光イメージングミニシンポジウム
• [学会発表] 環境型ハイブリッドSEMの基礎と応用 (2017)
  • 著者名/発表者名: 佐藤 主税
  • 学会等名: 第28回電顕サマースクール2017
  • 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 佐藤 主税
  • 学会等名: 第67回UV/EB研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Microscopy of Molecular Complexes, Cells and Tissues in Hydrophilic Environments Using Cryo-TEM and ASEM (2017)
  • 著者名/発表者名: C.Sato, M.Kawata, M.Ohashi, M.Ikeda, M.Koshino, T.Yamazawa, T.Ebihara, M.Sato, N.Memtily.
  • 学会等名: 日本顕微鏡学会 第６０回記念シンポジウム
• [学会発表] TRPイオンチャネル機構の動的構造基盤． (2016)
  • 著者名/発表者名: 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．
  • 学会等名: TRP研究会2016
  • 発表場所: 生理学研究所(愛知県岡崎市)
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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．
  • 学会等名: 日本顕微鏡学会第72回学術講演会
  • 発表場所: 仙台国際センター（仙台市青葉区）
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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．
  • 学会等名: 第58回歯科基礎医学会学術大会
  • 発表場所: 札幌コンベンションセンター（札幌市白石区）
  • 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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．
  • 学会等名: 第89回日本生化学会大会
  • 発表場所: 東北大学川内北キャンパス（仙台市青葉区）
• [学会発表] Observation of tissues in solution using atmospheric SEM: Applicability for quick intraoperative cancer diagnosis. (2016)
  • 著者名/発表者名: C.Sato, N.Memtily, T.Okada, M.Kawata, M.Sato, T.Yamazawa.
  • 学会等名: 21th World Congress on Advances in Oncology and 19th International Symposium on Molecular Medicine
  • 発表場所: Athens（ギリシャ）
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Electromicroscopy of protein complex rearrangements in hydrophilic conditions and in cells and tissues. (2016)
  • 著者名/発表者名: C.Sato, Nassirhadjy Memtily, M.Kawata, M.Sato, T.Ebihara
  • 学会等名: Joint meeting of the 22nd International Congress of Zoology and the 87th meeting of the Zoological Society of Japan,
  • 発表場所: 沖縄コンベンションセンター（沖縄県宜野湾市）
  • 国際学会
• [学会発表] Development of atmospheric scanning electron microscope (ASEM) and its applications (2016)
  • 著者名/発表者名: C.Sato, N.Memitily, M.Sato, T.Yamazawa, and S.Sugimoto.
  • 学会等名: 日本顕微鏡学会第59回シンポジウム
  • 発表場所: 帝京平成大学池袋キャンパス（東京都豊島区）
• [学会発表] Imaging of bacterial biofilms in solution by atmospheric scanning electron microscopy. (2016)
  • 著者名/発表者名: S.Sugimoto, K.Okuda, R.Miyakawa, M.Sato, A.Chiba, Y.Muzunoe, and C.Sato
  • 学会等名: 日本顕微鏡学会第59回シンポジウム
  • 発表場所: 帝京平成大学池袋キャンパス（東京都豊島区）
• [学会発表] Exocrine Organs Imaged in Aqueous Solution by Atmospheric Scanning Electron Microscopy (ASEM) (2016)
  • 著者名/発表者名: T.Yamazawa, N.Nakamura, Y.Mikami, H.Sekiya, M.Sato, and C.Sato.
  • 学会等名: 日本顕微鏡学会第59回シンポジウム
  • 発表場所: 帝京平成大学池袋キャンパス（東京都豊島区）
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 佐藤主税、Nassirhadjy Memtily、佐藤真理、山澤德志子、川田正晃
  • 学会等名: 第54回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: つくば国際会議場（茨城県つくば市）
• [図書] Liquid Cell Electron Microscopy (2016)
  • 著者名/発表者名: C.Sato, M.Suga
  • 総ページ数: 524
  • 出版者: Cambridge University Press
• [図書] Advanced Methods in Structural Biology (2016)
  • 著者名/発表者名: K.Mio, M.Sato, C.Sato.
  • 総ページ数: 340
  • 出版者: Springer