| 研究課題/領域番号 |
17K07364
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
川端 猛 大阪大学, 蛋白質研究所, 特任准教授(常勤) (60343274)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | 電子顕微鏡 / 単粒子解析 / 混合正規分布モデル / フィッティング / 原子モデリング / ポケット / 空洞 / モルフォロジー |
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| 研究実績の概要 |
本研究課題の目標は、密度マップ、原子モデルともに目的に応じた分解能の混合正規分布モデル(GMM)を採用することで、高速に重ね合わせ計算を行い、原子モデリングを効率化することである。R01年度は、また、複数のサブユニット原子モデルを、密度マップに重ねるための「マスク付きセグメンテーション・フィッティング法」の改良・性能検証の作業を進めた。サブユニットの配置探索をI-ステップ（初期化）、S-ステップ（探索）、R-ステップ（精密化）に分け、特に、I-ステップとR-ステップの検討を進めた。高速にGMMに変換するため、これまで、マップをダウンサンプルしてGMMを変換する方法を実装しており、そのときのダウンサンプルの分解能がフィッティングの精度に大きく影響することがわかった。この成果は、第57回日本生物物理学会年会でポスター発表を行った。また、今年度、新たに原子モデルもダウンサンプルでGMMに変換するアルゴリズムを実装した。
こうした原子モデリングに関連する技術として、電子顕微鏡で得られる巨大な分子複合体（シャペロニン、プロテアソームなど）によく見られる分子内部の大きな空洞を同定する算法とプログラムの開発も行った。この方法は、原子モデルと密度マップの双方に適応可能であり、プログラムGHECOMとして実装・公開されている。この空洞の同定に関する研究は、第19回日本蛋白質科学会年会でポスター発表を行い、Biophysics and Physicobiology誌に掲載された。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
昨年度に引き続き、複数のサブユニットを一つの密度マップに重ねるためのアルゴリズムの改良・性能検証の作業を進めた。探索全体は、初期配置を生成するI-ステップ、反復改善探索のS-ステップ、姿勢の精密化のR-ステップの三段階からなる。I-ステップは、ランダム生成、S-ステップでは「マスク付きセグメンテーション・フィッティング法」、R-ステップでは最急降下法を主に用いる。ランダム生成に代わる方法として、マップをグリッド点に分割し有限個の配置を包括的に探索する「グリッド・レイアウト法」を考案したが、残念ながら、有意な性能改良には至らなかった。マップはいくつかの画素をまとめて１つのガウス関数に変換するダウンサンプル法でGMMに変換する。そのとき何個の画素をまとめるかが局所フィッティングの精度に大きく影響することがわかった。また、複数の原子をまとめて１つのガウス関数に変換する原子モデルのダウンサンプル法も実装した。プログラムの洗練化、性能テストを進めているが、まだ完了していない。
また、こうした密度マップ解析、原子モデリングに関連する技術として、巨大な分子複合体の内部の大きな空洞を同定する算法の開発も行った。申請者らはこれまでに、「小さな球は入れるが、大きな球は入れない空間」がポケットであると定義し、プログラムGHECOMを開発した。しかし、この定義では、シャペロニン、プロテアソームなど、内部の空洞が非常に大きい場合、閉鎖空間であってもポケットとして認識されない。そこで、「小さな球は入れるが、大きな球は外からは入れない空間」という定義を採用し、「空洞ポケット(cave pocket)」と名付けた。モルフォロジーでこれを厳密に定義、実装した。本テーマはR01年度に投稿・出版されたが、これは当初の研究計画にはなかった研究であり、その代わり、計画されていた研究の論文執筆が遅れている。
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| 今後の研究の推進方策 |
R01年度は、これまで開発してきた「マスク付きセグメンテーション・フィッティング法」の改良と性能評価を進めたが、予想以上に時間がかかり、未だ論文投稿ができていない。また、当初の予定になかった「空洞ポケット」に関する研究、論文化に時間を割いたことも、主研究テーマの遅れにつながってしまった。R02年度は、主研究であるフィッティング法およびαヘリックスの同定技術について、手法の洗練化、包括的なテスト計算、フィッティングのWEBサイト、プログラムのソース公開、チュートリアルの作成などを行い、論文の投稿、出版を確実に行いたい。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
関連した２本の論文を既に出版したが、主研究である、GMMを用いた複数サブユニットの部分マップへの重ね合わせ法の発表が遅れている。その手法の概要は完成したが、論文化にあたって、標的となる分子複合体分子の選定、既存手法と対抗するためのプログラムの並列計算化に予想以上に時間がかかっている。よって、研究発表に必要な経費をR01年度中に全て支出することは難しく、英文校正費、論文出版費用をR02年度に支出したい
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