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2023 年度 実績報告書

クライオ電顕画像から蛋白質の動的構造を描写するための新規計算科学手法の確立と応用

研究課題

研究課題/領域番号 21H01050
研究機関慶應義塾大学

研究代表者

中迫 雅由  慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (30227764)

研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2024-03-31
キーワードクライオ電子顕微鏡 / 蛋白質水和構造 / 機械学習 / ニューラルネットワーク / X線回折イメージング / 画像分類 / 像回復
研究実績の概要

[グルタミン酸脱水素酵素(GDH)-補酵素]複合体の構造解析論文を複数回の査読を経て学術誌に掲載し、表紙に採用された。
[GDH-補酵素-基質]複合体のクライオ電子顕微鏡画像について構造解析を進めた。その結果、反応初期段階で四つ、定常状態で七つの準安定構造を同定し、酵素に結合した補酵素や基質・生成物の立体構造モデルも構築した。これらから、反応サイクルを立体構造に基づいて描き出した。また、準安定構造を得る画像分類では、試行回数を増やし、試行毎あるいは試行間で得られる画像間相関係数を検討し、高雑音かつ低コントラスト画像の分類を検定する新手法を考案した。これら結果は、X線小角散乱実験結果も含め、Sci. Rep.誌に投稿し、査読コメントに対する改訂後に再投稿した。
[GDH点変異体-補酵素-基質複合体]のクライオ電顕観察、X線結晶構造およびX線小角散乱について解析を進めた。定常状態で、四つの準安定構造を同定したが、野生型と異なり、反応に不可欠な機能ドメイン最接近構造が過少であった。立体構造の比較から、点変異導入残基近傍での残基間相互作用に変調が生じ、点変異体での最接近構造形成を抑制していることを見出した。これについては、5月投稿予定である。
構築してきた三次元コンボリューション・フィルターを用いる水和構造予測ニューラルネットワーク(NN)について、水和水分子位置の予測精度を向上するべく、極性原子の電子状態で水和構造を分割した学習法を考案するとともに、ネガティブデータ学習対象を再検討した。さらに、このNNと経験的水和分布関数による二つの予測法を融合し、これまで困難であった膜蛋白質の水和構造予測法が完成した。二つの成果は、7月投稿予定である。
電顕画像解析における画像分類に関連し、X線回折イメージングで開発した構造解析達成指標の原理的重要性と応用に関し、三報の論文を学術誌に掲載した。

現在までの達成度 (段落)

令和5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

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

  • 研究成果

    (14件)

すべて 2024 2023 その他

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (9件) (うち国際学会 2件、 招待講演 1件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Protocol using similarity score and improved shrink-wrap algorithm for better convergence of phase-retrieval calculation in X-ray diffraction imaging2024

    • 著者名/発表者名
      Yoshida Syouyo、Harada Kosei、Uezu So、Takayama Yuki、Nakasako Masayoshi
    • 雑誌名

      Journal of Synchrotron Radiation

      巻: 31 ページ: 113-128

    • DOI

      10.1107/S1600577523009864

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Similarity score for screening phase-retrieved maps in X-ray diffraction imaging ? characterization in reciprocal space2024

    • 著者名/発表者名
      Takayama Yuki、Nakasako Masayoshi
    • 雑誌名

      Journal of Synchrotron Radiation

      巻: 31 ページ: 95-112

    • DOI

      10.1107/S1600577523009827

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Coenzyme‐binding pathway on glutamate dehydrogenase suggested from multiple‐binding sites visualized by cryo‐electron microscopy2023

    • 著者名/発表者名
      Wakabayashi Taiki、Oide Mao、Kato Takayuki、Nakasako Masayoshi
    • 雑誌名

      The FEBS Journal

      巻: 290 ページ: 5514-5535

    • DOI

      10.1111/febs.16951

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Ultrastructure and fractal property of chromosomes in close-to-native yeast nuclei visualized using X-ray laser diffraction2023

    • 著者名/発表者名
      Uezu So、Yamamoto Takahiro、Oide Mao、Takayama Yuki、Okajima Koji、Kobayashi Amane、Yamamoto Masaki、Nakasako Masayoshi
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 13 ページ: 10802(1-14)

    • DOI

      10.1038/s41598-023-37733-6

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 低温X線回折イメージング・トモグラフィーを用いた非結晶粒子の三次元構造解析の現状と将来展望2024

    • 著者名/発表者名
      原田康生、吉田翔庸、高山裕貴、中迫雅由
    • 学会等名
      第37回 日本放射光学会年会
  • [学会発表] X線回折イメージングの像回復効率化プロトコルの開発2024

    • 著者名/発表者名
      吉田翔庸、原田康生、上江洲奏、高山裕貴、中迫雅由
    • 学会等名
      第37回 日本放射光学会年会
  • [学会発表] クライオ電子顕微鏡による酵素反応中のグルタミン酸脱水素酵素準安定構造の可視化2024

    • 著者名/発表者名
      若林大貴、大出真央、中迫雅由
    • 学会等名
      第13回日本生物物理学会関東支部会
  • [学会発表] Prediction of hydration structures over membrane proteins using deep learning in combination with the empirical hydration distribution2023

    • 著者名/発表者名
      Kochi Sato, Mao Oide and Masayoshi Nakasako
    • 学会等名
      第61回 日本生物物理学会年会
  • [学会発表] Conformational and ligand-association dynamics of glutamate dehydrogenase in the mixture with ligands visualized by cryo-EM2023

    • 著者名/発表者名
      Taiki Wakabayashi, Mao Oide and Masayoshi Nakasako
    • 学会等名
      第61回 日本生物物理学会年会
  • [学会発表] コヒーレントX線回折イメージングCDIの概要2023

    • 著者名/発表者名
      中迫雅由
    • 学会等名
      令和5年度 日本結晶学会年会
    • 招待講演
  • [学会発表] Protocol to steer phase-retrieval calculation in X-ray diffraction imaging2023

    • 著者名/発表者名
      Syouyou Yoshida, So Uezu, Yuki Takayama and Masayoshi Nakasako
    • 学会等名
      60 years of Synchrotron Radiation in Japan (JPSR60)
    • 国際学会
  • [学会発表] Prediction of hydration structures of protein by convolutional neural network optimized using experimental data2023

    • 著者名/発表者名
      Kochi Sato, Mao Oide and Masayoshi Nakasako
    • 学会等名
      The 34th IUPAP Conference on Computational Physics (CCP2023)
    • 国際学会
  • [学会発表] The binding process of substrate and coenzyme with glutamate dehydrogenase observed by using cryoEM2023

    • 著者名/発表者名
      Taiki Wakabayashi, Mao Oide and Masayoshi Nakasako
    • 学会等名
      第23回 日本蛋白質科学会年会
  • [備考] 染色体のフラクタルな超構造を可視化

    • URL

      https://www.riken.jp/press/2023/20230707_1/index.html

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公開日: 2024-12-25  

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