研究技術開発室
Division of Bio-Crystallography Technology
室 長

神

谷

信

夫

KAMIYA, Nobuo

当室は SPring-8 に設置された理研ビームラインの運営にあたるとともに，ビームラインを利用した個別研究についてユーザーへの技術支援を行っている。また独自の利用研究を進める過程
で技術的ノウハウを蓄積し，利用研究を飛躍的に発展させる研究技術の開発を行う。
せる。本年度は好熱性らん藻から単離された光化学系 II 粒
1. 理研ビームラインを利用した生体巨大分子結晶構造解析研究のための技術支援（河野，内藤，中島，松，引間， 子の結晶について，3.7 Å 分解能における電子密度図の改良を進めた結果，光化学系 II 粒子を構成する 4 種類の主要
神谷；足立（生体物理化学研究室）；藤澤，飯塚，前田（構な膜貫通サブユニットについて，より詳細な分子構造モデ
造生物化学研究室），山本，石川（X 線干渉光学研究室）；
ルを構築することができた。
北村（X 線超放射物理学研究室）；山崎，谷田，宇留賀）（2）ニトリルヒドラターゼ（NHase）はニトリル化合物
タンパク質や核酸など生体巨大分子の立体構造を解明すに水を付加して対応するアミド化合物を生成する酵素であることは構造生物学の基礎である。当室では，構造生物学研る。活性中心に 3 価の非ヘム鉄または非コリノイド・コバ
究用理研ビームラインを用いて実施される生体巨大分子の構造解析研究についてユーザーへの技術支援を行っている。 ルトを含み，鉄型 NHase は一酸化窒素（NO）の光脱離によって活性化される。本研究では NHase の酵素反応の全行（1）構造生物学研究用ビームライン；BL45 XU-PX
程を時間分割（動的）構造解析によって追跡することを目
生体巨大分子の結晶構造解析の内，多波長異常分散法によ的としている。本年度は，不安定な鉄型 NHase の活性型のる自動解析に特化したビームラインである。本年度も引き続
反応中心構造を明らかにするために，嫌気条件下での結晶
き本ビームラインを利用した回折実験におけるユーザー対応
化の手法の確立と構造解析を行った。
を行った。また，ビームライン建設当初から使用されてきた（3）DNA 相同組換えを行う RecA タンパク質は協同的に本ビームライン独自設計のビームライン制御系を SPring-8
らせん状に単鎖 DNA に結合し，単鎖 DNA と二重鎖 DNA
標準タイプへ変更し，ソフトウェアも新規に作成した。
の間の相同性を探索し，相同部位を対合させ，交換すると（2）構造生物学研究用ビームライン；BL44B2
いう多彩な機能を有している。当室では既知のものとは異BL44B2 は生体巨大分子の動的結晶構造解析と X 線吸収
なるらせん構造を持つ RecA タンパク質の結晶を得て分子スペクトロスコピー（XAFS）との兼用ビームラインであ構造を決定した。本年度は構造情報を基に DNA 結合様式
り，(i) 単色 X 線を利用した回折実験，(ii) マイクロ秒からを考察するとともに，RecA タンパク質の機能の解明を目
ミリ秒程度の時間分解能における白色ラウエ回折実験，(iii)
的として多数の部位特異的変異体を調製した。
蛍光および吸収法による XAFS 実験に利用される。本年（4）ストラクチュローム連携研究に協力して，主にグリ度は新型 CCD 検出器（ADSC 社，Q210，有効検出器面積
シン開裂系，金属活性中心を持つエネルギー伝達系と解糖210 mm × 210 mm）の導入を行い，データ収集の迅速化
系のタンパク質群を中心にして網羅的構造解析を進めていを達成した。また検出器導入に伴いビームストッパーを更る。本年度は 2 種類のタンパク質の発現・精製と 6 種類の新した。
タンパク質の結晶化および 2 種類の構造構築を行った。
（3）構造生物学研究用ビームライン；BL45XU-SAXS（5）イネ萎縮ウイルス（RDV）の RNA 結合タンパク質溶液からの X 線の散乱情報に基づいて生体巨大分子のドメイン構造やドメイン間での構造変化を追跡するための （P7）は，RDV が mRNA を合成する際の構造的な基盤とビームラインである。本年度のユーザーへの技術支援は構なる分子である。我々は P7 の構造解析を行うことにより
造生物化学研究室に依頼した。
RDV の mRNA 合成機構を明らかにしようとしている。本
年度は，大腸菌により大量発現した P7 の不溶化を軽減す
2. 生体巨大分子結晶構造解析（河野，引間，内藤，古る方法の検討を行った。
瀬 ＊1 ，中島，松，大須賀 ＊2 ，橋本 ＊3 ，沈 ＊4 ，養王田 ＊4 ，
（6）ライセニンはミミズの粘液に大量に含まれ，生体膜の主要な構成要素の 1 つであるスフィンゴミエリンを特異
神谷；尾高（バイオ工学研究室）；井川，石部，美川，柴田的に認識することで生体膜の多様な機能を制御していると（遺伝生化学研究室）；中井，中川，倉光（ストラクチュロー
考えられている。その構造生物学を目指して，本年度は大ム研究グループ）：石嶋（ハイスループットファクトリー）；
腸菌により大量発現したライセニンとそのフラグメントの
牧野，小林（FRS スフィンゴ脂質機能研究チーム））
精製方法を確立した。
（1）光化学系 II 粒子は葉緑体のチラコイド膜上にあって太陽光のエネルギーを吸収し，水を分解して酸素を発生さ

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平成 15 年度

3. 構造生物学に関わる諸技術の開発（引間，神谷）
タンパク質は分子表面に様々な極性を持つアミノ酸残基を有しており，溶媒中では永久双極子を持つ誘電体として振る舞っている。当室では外部電場を印加することで溶媒中でのタンパク質分子の会合状態に揺動を与え，結晶化を促進することを試みている。本年度は結晶化溶液の誘電特性を測定しタンパク質結晶化過程の動的変化との関連を検討した。
＊1

協力研究員，＊2 研修生（姫工大大学院），＊3 研修生，＊4
共同研究員

Our division has launched several new initiatives inuser support and development of new technologies at the
RIKEN Structural Biology beamlines at SPring-8. Several
research and development programs are under way, andthese will contribute to the expanding program in structural biology research of RIKEN.
1. Technical support for users of the RIKEN
beamlines dedicated to structural biology
BL45XU is an undulator beamline designed for protein crystallography using the multi-wavelength anomalous
dispersion technique (experimental hutch; BL45XU-PX)
and for small-angle X-ray scattering of biological macromolecules (BL45XU-SAXS). We support user experiments
at BL45XU-PX with improved beamline devices. Of special note, the control system of BL45XU was changed to
the SPring-8 standard system this year. The maintenanceand user support services for BL45XU-SAXS have been
entrusted to the Structural Biochemistry Laboratory.
BL44B2 is a bending-magnet beamline designed forthree applications: conventional structure analysis of protein crystals with monochromatic X-rays, X-ray absorption fine structure analysis of biological macromolecules,
and time-resolved protein crystallography with white Xrays. A CCD detector was newly installed (ADSC Q210,
active area: 210 mm × 210 mm), with which much fasterdata collection was possible in comparison with the previous detector.
2. X-Ray Crystal Structure Analyses of Biological Macromolecules
Photosystem II (PSII) is a multi-subunit membraneprotein complex that carries out light-induced electrontransfer and water-splitting reactions, leading ultimately
to the formation of molecular oxygen. We obtained thisyear an improved electron density map of PSII from Thermosynechococcus vulcanus at 3.7 Å resolution, and reconstructed new structure models of the four major transmembrane subunits: D1, D2, CP47 and CP43.
Nitrile Hydratase from Rhodococcus is an enzyme capable of catalyzing hydration of nitriles, and it contains
a mononuclear non-heme iron as its reaction center. The
iron center is activated by photo-driven NO release. To
gain a deeper understanding of the reaction mechanism,
we are developing techniques of time-resolved crystallography. This year we crystallized the photo-irradiated Fetype NHase in anaerobic condition keeping its activity, anddetermined the structure.
The RecA protein in Escherichia coli plays an important role in homologous genetic recombination. We havedetermined a new crystal structure of this molecule with a

理研研究年報diﬀerent pitch of filament in a comparison to that reported
previously. Several mutant proteins were designed in orderto clarify the RecA protein functions, and over-expression
and purification procedures were constructed for the mutant proteins.
In cooperation with the Structurome Research Group,
we determined crystal structures of proteins in the glycinecleavage system, the energy transfer system, and the glycolysis system of Thermus thermophilus. We determined
this year two crystal structures of diﬀerent dehydrogenases.
In order to reveal the molecular mechanism of mRNA
synthesis in a Rice Dwarf Virus (RDV), we have constructed a large-scale expression system for the mRNAbinding protein P7 of RDV, using E. coli as host cells.
The solubility of over-expressed P7 was unexpectedly low,
but other expression conditions were examined to gain highsolubility of the protein.
3. Development of new techniques for structural
biology
In an eﬀort to develop new methods of enhancing protein crystallization, we have investigated the protein nucleation process in an electric field of alternating current.
This year dielectric properties of crystallization buﬀers
were determined and the dynamical changes of protein
crystallization processes were examined in relation to thebuﬀer characteristics.

Research and Development Subjects and Members of Division of Bio-Crystallography Technology
1. Technical support for users of RIKEN beamlines dedicated to structural biology
2. X-Ray crystal structure analyses of biological macromolecules
3. Development of new techniques for structural biology
research

Head
Dr. Nobuo KAMIYA

Members
Dr. Yoshiaki KAWANO
Dr. Takaaki HIKIMA
Dr. Hisashi NAITOW
Dr. Munenori FURUSE＊
Mr. Taiji MATSU
Mr. Hiroki NAKAJIMA＊

Contract Researcher

in collaboration with
Dr. Shin-ichi ADACHI (Biophysical Chemistry Lab.)
Dr. Tetsuro FUJISAWA (Structural Biochemistry Lab.)
Mr. Takashi IIZUKA (Structural Biochemistry Lab.)
Dr. Shukuko IKAWA (Cellular and Molecular Biology
Lab.)
Ms. Satoko ISHIBE (Cellular and Molecular Biology

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Nakai T., Ishijima J., Masui R., Kuramitsu S., and Kamiya
Lab.)
Dr. Jun ISHIJIMA (Highthroughput Factory)
N.: “Structure of Thermus thermophilus HB8 HDr. Tetsuya ISHIKAWA (Coherent X-Ray Optics Lab.)
protein of the glycine-cleavage system, resolved by aDr. Hideo KITAMURA (Coherent Synchrotron Light
six-dimensional molecular-replacement method”, Acta
Source Physics Lab.)
Cryst. D 59, 1610—1618 (2003). ＊Dr. Toshihide KOBAYASHI (Sphingolipid Functions
Fujihashi M., Peapus D. H., Kamiya N., Nagata K.,
Lab. FRS)
and Miki K.: “Crystal structure of fucose specific lectin
Dr. Seiki KURAMITU (Structurome Research Group)from Aleuria aurantia binding ligands at three of its fiveDr. Yuichiro MAÉDA (Structural Biochemistry Lab.)sugar recognition sites”, Biochemistry 42, 11093—11099
Dr. Asami MAKINO (Sphingolipid Functions Lab.
(2003). ＊FRS)
Noguchi T., Nojiri M., Takei K., Odaka M., and Kamiya
Dr. Tsutomu MIKAWA (Cellular and Molecular BiolN.: “Protonation structures of cys-sulfinic and cysogy Lab.)
sulfenic acids in the photosensitive nitrile hydratase reDr. Noriko NAKAGAWA (Structurome Research Group)
vealed by fourier transform infrared spectroscopy”, BioDr. Tadashi NAKAI (Structurome Research Group)chemistry 42, 11642—11650 (2003). ＊Dr. Masafumi ODAKA (Bioengineering Lab.)
Dr. Takehiko SHIBATA (Cellular and Molecular Biol口 頭 発 表 Oral Presentations
ogy Lab.)（国際会議等）
Dr. Masaki YAMAMOTO (Coherent X-Ray Optics
Hikima T., Hiraki T., Ikawa S., Furuse M., Shibata T.,
Lab.)
and Kamiya N.: “A possible model for filament extension of E. coli RecA protein in homologous recombinaVisiting Memberstion”, 19th Congr. and General Assembly of the Int.
Dr. Tame JEREMY (Grad. Sch. Sci., Yokohama City
Union of Crystallography (IUCr XIX), Geneva, SwitzerUniv.)land, Aug. (2002).
Dr. Yao MIN (Grad. Sch. Sci., Hokkaido Univ.)
Kamiya N. and Shen J.: “Crystal structure analysis of
Dr. Atsushi NAKAGAWA (Inst. Protein Res., Osakaphotosystem II from Synechococcus vulcanus at BL41XU
Univ.)of SPring-8”, SRRC 8th Users Meet. and Workshop
Dr. Masayosi NAKASAKO (Inst. Mol. Cel. Biosci.,on Application of Synchrotron Radiation in Biology,
Univ. Tokyo)
Hsinchu, Taiwan, Oct.—Nov. (2002).
Dr. Masaki NOJIRI (Grad. Sch. Sci, Osaka Univ.)
Nakai T., Nakagawa N., Maoka N., Masui R., Kuramitsu
Dr. Kazuhiro OGATA (Sch. Med., Yokohama City
S., and Kamiya N.: “Crystal structures of branchedUniv.)
chain 2-oxo acid dehydrogenase (E1) from Thermus therDr. Sam-yong PARK (Grad. Sch. Sci., Yokohama City
mophilus HB8: induced fit and substrate recognition ofUniv.)
the enzyme”, Int. Symp. on Diﬀraction Structural BiolDr. Jian-Ren SHEN (Fac. Sci., Okayama Univ.)ogy (ISDSB2003), (JSPS), Tsukuba, May (2003).
Dr. Masaaki SHIINA (Sch. Med., Yokohama City
Takeda K., Miyatake H., Park
S. -Y ., Kawamoto M.,
Univ.)Kamiya N., and Miki K.: “Xe-MAD phasing at theDr. Isao TANAKA (Grad. Sch. Sci., Hokkaido Univ.)
beamline BL41XU of SPring-8”, Int. Symp. on DiﬀracDr. Hajime TANIDA (Mater. Sci. Div., JASRI)
tion Structural Biology (ISDSB2003), (JSPS), Tsukuba,
Dr. Tomoya URUGA (Mater. Sci. Div., JASRI)
May (2003).
Dr. Nobuhisa WATANABE (Grad. Sch. Sci., Hokkaido
Shen J. and Kamiya N.: “Crystal structure of photoUniv.)
system II from Thermosynechococcus vulcanus”, 11th
Dr. Hiroshi YAMAZAKI (Beamline Div., JASRI)
Int. Symp. on Phototrophic Prokaryotes (ISPP2003
Dr. Masafumi YODA (Dept. Biotech. Life Sci., Tokyo
Tokyo), (The Japanese Association for Photosynthesis
Univ., Agric. Technol.)Research), Tokyo, Aug. (2003).
Shen J. and Kamiya N.: “Functions of carotenoids andTrainees
other pigments in photosystem II from a structural point
Mr. Hisao OSUKA (Fac. Sci., Himeji Inst. Technol.)of view”, 10th Congr. of the European Soc. for PhotoMr. Koich HASHIMOTO (Fac. Sci., Himeji Inst. Techbiology (ESP 2003), Vienna, Austria, Sept. (2003).
nol.)
Kamiya N. and Shen J.: “Crystal structure analysis ofphotosystem II complex from Thermosynechococcus vulcanus”, RIKEN/BBSRC Joint Symp. on Japan-UK
Membrane Protein Structure Biology, (RIKEN and BB誌 上 発 表 Publications
SRC), Harima, Sept. (2003).
［雑誌］
Shen J. and Kamiya N.: “Crystal structure of photosystem（原著論文） ＊印は査読制度がある論文

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平成 15 年度

II from Thermosynechococcus vulcanus”, Joint JapaneseSwiss Scientific Seminar, Kurashiki, Sept.—Oct. (2003).
（国内会議）
中井忠志, 石嶋潤, 中川紀子, 増井良治, 倉光成紀, 神谷信夫:“グリシン開裂系の構造生物学：代謝系の原子レベルでの理解を目指して”, 高度好熱菌丸ごと一匹プロジェクト:第1 回ストラクチュローム連携研究会, (理研), 播磨, 7 月(2002).
藤橋雅宏, Peapus D. H., 神谷信夫, 長田嘉穂, 三木邦夫:“ヒイロチャワンタケ由来レクチンの結晶構造とフコース認識機構”, 第 3 回日本蛋白質科学会年会, 札幌, 6 月(2003).
神谷信夫: “SPring-8 共同利用ビームラインと生物マシーナ
リー研究：アンジュレータから光化学系複合体へ”, 文科
省科研費特定領域研究「生物マシーナリー」第 6 回ワー
クショップ, 東京, 7 月 (2003).
中井忠志, 中川紀子, 真岡伸子, 増井良治, 倉光成紀, 神谷
信夫: “Ligand-induced conformational changes and a reaction intermediate in branched-chain 2-oxo acid dehydrogenase (E1) from Thermus thermophilus HB8”, 高度
好熱菌丸ごと一匹プロジェクト第 2 回ストラクチュロー
ム連携研究会, (理研), 播磨, 8 月 (2003).
竹田一旗, 宮武秀行, 朴三用, 河本正秀, 神谷信夫, 三木邦夫:“高エネルギー領域での多波長異常分散法による位相決定”, 第 46 回日本神経化学会年会・第 41 回日本生物物理学会年会合同年会, 新潟, 9 月 (2003).
神谷信夫: “ロッキングカーブ測定は結晶成長論のツールになり得るか？”, 日本学術振興会回折構造生物第 169 委員

理研研究年報会 第 11 回研究会「タンパク質結晶成長と X 線結晶学的品質」, 京都, 9 月 (2003).
中井忠志, 中川紀子, 真岡伸子, 増井良治, 倉光成紀, 神谷
信夫: “Crystal structures of Thermus thermophilus HB8
branched-chain 2-oxo acid dehydrogenase (E1) in complex with cofactors, substrate and substrate analogue”,
第 76 回日本生化学会大会, 横浜, 10 月 (2003).
神谷信夫, 沈建仁: “Thermosynechococcus vulcanus 由来光化学系 II 膜蛋白質複合体の結晶構造解析”, 日本結晶学会
平成 15 年度年会, 熊本, 12 月 (2003).
藤橋雅宏, Peapus D. H., 神谷信夫, 長田嘉穂, 三木邦夫:“フコース特異的レクチンの立体構造と基質認識機構”,
日本結晶学会平成 15 年度年会, 熊本, 12 月 (2003).
中井忠志, 中川紀子, 真岡伸子, 増井良治, 倉光成紀, 神谷
信夫: “Crystal structures of Thermus thermophilus HB8
branched-chain 2-oxo acid dehydrogenase (E1) and its
complexes with cofactors, substrate and substrate analogue”, 第 26 回日本分子生物学会年会, 神戸, 12 月 (2003).
神谷信夫: “4 次元構造生物学に向けた準備と今後の展望”,
日本学術振興会回折構造生物第 169 委員会 第 12 回研究会, 東京, 12 月 (2003).
神谷信夫, 吾郷日出夫, 青山浩, 宮野雅司, 城宜嗣, 沈建仁:
“Thermosynechococcus vulcanus 由来光化学系 II 膜蛋白質複合体の結晶構造解析”, 第 17 回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム, つくば, 1 月 (2004).
沈建仁, 神谷信夫: “X 線結晶構造解析が明らかにする構造”,
日本植物生理学会 2004 年度年会, 八王子, 3 月 (2004).

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