光感受性化学構造をもつ金属蛋白質のX線自由電子レーザーを用いた常温無損傷構造解析

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15K18487
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 溝端 栄一 大阪大学, 工学研究科, 講師 (90571183)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: 構造生物学 / 量子ビーム科学

研究実績の概要

金属蛋白質は、その結晶構造の解明に必要なX線が照射されると、金属中心がきわめて迅速に還元され、構造変化が誘起される。そのため、金属蛋白質の真の酸化型構造を知ることは、長年、不可能とされてきた。しかしながら近年、Ｘ線自由電子レーザー（XFEL）を用いた新しい構造解析手法、連続フェムト秒結晶構造解析（SFX）の登場によって、常温状態かつ放射線損傷の無い状態（常温無損傷構造）の結晶構造の解明が可能になった。10フェムト秒以下のXFELの極短パルス光を用いると、放射線損傷で構造変化が誘起されるよりも早く、構造情報を記録して観察することができるためである。
平成２９年度は、XFEL施設SACLAを利用して取得した、ミオグロビンおよび改変ミオグロビンのSFX構造の精密化を完了し、論文執筆を進めた。また、本研究に関する総説を国際学術誌に報告した（Mizohata E, Nakane T, Fukuda Y, Nango E, Iwata S. Biophys Rev, in press）。
３年間に渡った本研究の成果を基礎として、今後は金属蛋白質の動的構造解析を時分割SFXにより進めてゆく計画である。時分割SFXの第一の特色は、タンパク質の「動き」を（近）原子分解能、高速時間分解能、常温無損傷状態で可視化できる唯一の計測技術である点にある。金属酵素で時分割SFXを実施するための基盤技術を確立し、酵素反応にともなう構造変化の全貌を観察することを目指す。

研究成果

• [国際共同研究] University of British Columbia(カナダ)
  • 国名: カナダ
  • 外国機関名: University of British Columbia
• [雑誌論文] Serial femtosecond crystallography at the SACLA: breakthrough to dynamic structural biology (2018)
  • 著者名/発表者名: Mizohata Eiichi、Nakane Takanori、Fukuda Yohta、Nango Eriko、Iwata So
  • 雑誌名: Biophysical Reviews 巻: 10 ページ: 209-218
  • DOI: 10.1007/s12551-017-0344-9
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] X線自由電子レーザーによる膜タンパク質構造決定法 (2017)
  • 著者名/発表者名: 溝端栄一
  • 雑誌名: バイオサイエンスとインダストリー 巻: 75 ページ: 415-417
  • 査読あり
• [雑誌論文] 膜タンパク質の構造決定を加速化する技術の動向 (2017)
  • 著者名/発表者名: 溝端栄一
  • 雑誌名: 日本結晶学会誌 巻: 59 ページ: 147-148
  • DOI: 10.5940/jcrsj.59.147
  • 査読あり
• [雑誌論文] X線自由電子レーザーによるダメージフリーのタンパク質構造決定法 (2017)
  • 著者名/発表者名: 中根崇智, 岩田想, 溝端栄一
  • 雑誌名: 生化学（日本生化学会邦文誌） 巻: 89 ページ: 571-576
  • DOI: 10.14952/SEIKAGAKU.2017.890571
  • 査読あり
• [雑誌論文] Redox-coupled proton transfer mechanism in nitrite reductase revealed by SPring-8 and SACLA (2017)
  • 著者名/発表者名: Eiichi Mizohata*, Yohta Fukuda, and Tsuyoshi Inoue
  • 雑誌名: SPring-8/SACLA Research Frontiers 2016 巻: 2016 ページ: 26-27
• [雑誌論文] Capturing an initial intermediate during the P450nor enzymatic reaction using time-resolved XFEL crystallography and caged-substrate (2017)
  • 著者名/発表者名: Tosha T, Nomura T, Nishida T, Saeki N, Okubayashi K, Yamagiwa R, Sugahara M, Nakane T, Yamashita K, Hirata K, Ueno G, Kimura T, Hisano T, Muramoto K, Sawai H, Takeda H, Mizohata E, et al.
  • 雑誌名: Nat Commun 巻: 8 ページ: 1585
  • DOI: 10.1038/s41467-017-01702-1
  • 査読あり
• [雑誌論文] Experimental phase determination with selenomethionine or mercury-derivatization in serial femtosecond crystallography. (2017)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: IUCrJ 巻: 4 ページ: 639-647
  • DOI: 10.1107/S2052252517008557
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hydroxyethyl cellulose matrix applied to serial crystallography (2017)
  • 著者名/発表者名: Sugahara M, Nakane T, Masuda T, Suzuki M, Inoue S, Song C, Tanaka R, Nakatsu T, Mizohata E, Yumoto F, Tono K, Joti Y, Kameshima T, Hatsui T, Yabashi M, Nureki O, Numata K, Nango E, Iwata S.
  • 雑誌名: Sci Rep 巻: 7 ページ: 703
  • DOI: 10.1038/s41598-017-00761-0
  • 査読あり
• [雑誌論文] A RuBisCO-mediated carbon metabolic pathway in methanogenic archaea. (2017)
  • 著者名/発表者名: Kono T, Mehrotra S, Endo C, Kizu N, Matusda M, Kimura H, Mizohata E, Inoue T, Hasunuma T, Yokota A, Matsumura H, Ashida H.
  • 雑誌名: Nat Commun 巻: 8 ページ: 14007
  • DOI: 10.1038/ncomms14007
  • 査読あり
• [雑誌論文] 連続フェムト秒解析で観る亜硝酸還元酵素の反応機構 (2017)
  • 著者名/発表者名: 溝端栄一
  • 雑誌名: 医学のあゆみ：生命現象を観る（医歯薬出版株式会社） 巻: 262 ページ: 407-412
• [学会発表] 膜蛋白質の構造決定を加速化する技術の動向 ～XFELを用いた実験的位相決定法～ (2018)
  • 著者名/発表者名: 溝端栄一
  • 学会等名: 第31回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Damage-free protein structure determination using X-ray free electron laser at SACLA (2017)
  • 著者名/発表者名: Eiichi Mizohata
  • 学会等名: Janelia Conference -Challenges in Structural Biology-
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Redox-dependent structural change in nitrite reductase visualized by SPring-8 and SACLA (2017)
  • 著者名/発表者名: Eiichi Mizohata
  • 学会等名: 第55回日本生物物理学会年会
  • 招待講演