シリーズ「わが国の蛋白質科学研究発展の歴史」第14回

タンパク質およびウイルスの結晶構造解析
福 山 恵 一 （ふくやま けいいち）
タンパク質結晶学が日本で黎明期であった 1970 年代の初め頃、私は X 線結晶解析をはじめた。以来 40 年以上にわたって X 線解析を中心に研究を続けてきたが、この間に対象とする分子、解析方法や装置だけでなく、X 線結晶解析をとりまく技術や研究分野は様変わりした。ここでは私が関与したタンパク質やウイルスの結晶解析を中心に、方法論を含めてその間にどのようなことがおこり、どのように考え方が変わってきたかを述べてみたい。

１.前期（1970年代〜1980年代）
私は40年以上X線結晶解析に携わってきたが、学生の頃（1970年代の初め頃）日本では対象が主に有機化合物で、タンパク質の結晶解析はまだ黎明期であった。ごく限られた研究室でタンパク質結晶に取り組んでおり、私が属した蛋白質研究所の研究室でさえ、有機化合物の結晶解析を同時並行で進めていた。世界的に見てもミオグロビンの結晶構造が初めて決定された10数年後で、この頃は代表的なタンパク質の結晶解析が幾つか進められて図１. ４軸型回折計いた。日本では、蛋白質研究所でシトクロムcに主力をそそいでおり、その他東京大学薬学部でリボを組み合わせた装置だと、１日で約3000個の回折ヌクレアーゼ、名古屋大学理学部でインシュリン強度が測定できた。蛋白質結晶の場合回折点の数の構造解析が進められていた。私が直接的にタンは多いので、また蛋白分子は柔軟であるので測定

パク質結晶を扱い始めたのは1970年代の中頃で、中にX線損傷を受けやすい。従って何個もの結晶を私が所属していた鳥取大学の研究室で植物型フェ使って、所定の分解能の回折データを揃えた。なお、レドキシンをはじめたのがきっかけであった。こ蛋白質結晶は水を含んでおり、乾いて結晶が壊れの結晶解析をその後約５年間かけて一応完成させないようにキャピラリーに封入して測定した。また。その結果を発表する場が、蛋白質科学会の前身た、X線の吸収が結晶の方位により違うので（植物の一つであるタンパク質構造討論会であり、また型フェレドキシンの場合薄い板状晶であったので、Nature誌であった1)。

同じ指数の回折点でも数倍見かけの回折強度が違

X線回折強度を測定し、それをフーリエ変換してって観測された）、吸収補正することは必須であっ電子密度にすることは今も昔も本質的に変わりがた。

ない。しかし回折強度を測定する方法や、電子密度一方回折データを電子密度に変換する場合でも、を解釈して分子モデルを組み立てる方法は大きく

当時計算プログラムがなかったからプログラミン変わった。この時期回折強度データを収集するにグすることから行った。電子密度が計算されると、は４軸型回折計が主流であった（図１）。（それまマジックペンで等高線を透明シートに写し、それでは回折写真を何枚も撮り、目視法で回折点の強を分子モデルと重ねて見た。その電子密度（等高線）度を測っていた。）回折計と回転対陰極X線発生機

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このような背景にはシンクロトロン放射光の登場があり、日本ではPhoton Factoryが稼働しはじめた。これにより実験室のX線発生装置より桁違いに輝度の高いX線が使えるようになった。また、平行性のよいビームがえられ、X線の波長も自由に選べるようになった。その結果、分解能・精度の高い回折データが得られるようになっただけでなく、タンパク質の分子量がそれまでよりずっと大きいものが視野に入った。もちろん測定に要する時間も大幅に短縮された。
（それまで何日もかかっていたものが、数時間で測定できるようになった。）さらに波長をかえて位相決定・構造決定することが現図２. リチャードボックス 斜めにあるのがハーフミラー、その下が分子モデルで、奥が電子密度。

実となった。また、X線解析の適用を広げたものに、遺伝子操作がある。これにより極微量しか天然にと分子モデルをハーフミラーで重ねる道具がリチ存在しない蛋白質や、ミュータントタンパク質のXャードボックス（図２）2)である。このようにして線解析ができるようになった。

真鍮製の分子モデルを組み立て、その後各原子の座礁を読むのにもリチャードボックスを使った。

２.中期（1990年年代〜2000年頃まで）

このような一連の操作で、コンピューターにかけこの時期になるとX線回折データを収集するにられるようになった。
植物型フェレドキシンより少し後に細菌型フェは放射光を利用するのが普通になった。放射光はレドキシンの解析をはじめた。ところがこの結晶強度が実験室のX線発生装置で発生するX線より桁の重原子同型置換体がどうしても得られず、この違いに強い。従ってX線損傷の少ない結晶でなけ分子に含まれる鉄原子の異常分散を利用して位相れば測定できなかった。このことを解決したのが決定するという新しい方法に取り組んだ。８年余結晶のflash cooling（急速凍結）法である。こかけてこの結晶構造を決定し、1986年のタンパクうするとX線損傷を格段に減らすだけでなく、高質構造討論会で口頭発表し、またJ. Mol. Biol.に分解能解析ができるようになった。このため結晶発表した3)。この方法は今ではsingle anomalousをキャピラリーに封入するのではなく、ループでdiffraction (SAD)法とよばれ、日常的に構造解析結晶をすくって急速に凍らせた。このような結晶に適用されている。

を使うと、溶媒分子も多く同定でき、分解能も一この時期タンパク質の構造・フォールディング般に向上した。このようなことで、この時期からを決定することが大きな目標であった。1980年代

原子分解能（1.2 Å分解能以上）の解析が段々にの中頃タンパク質結晶の原子座標を精密化する計増えていった。

算プログラムが出回るようになり、解析精度は格放射光を利用するようになって、回折強度を４段に向上した。具体的にはプログラムPROLSQが次軸型回折計で用いて一点ずつ測定する方式から、第に浸透し, R 値など定量的にX線解析結果を評価

振動写真で一挙に２次元ディテクターに記録するできるようになった。私の場合、精密化を取り入れ方式に変化した。日本では坂部カメラが開発さてタンパク質の結晶構造を決定し、この会で発表れ、またその頃登場したイメージングプレートしたものにフラボドキシンというFMNを含む酸化（IP）がX線フィルムに代わって使われ始めた。

還元タンパク質がある4)。

IPはX線フィルムよりダイナミックレンジが格段によく、また暗室操作も必要でなく、IPリーダー

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シリーズ「わが国の蛋白質科学研究発展の歴史」第14回で処理できる。この時期坂部カメラがPFにおけるStructure, Nature Structural and Biology, Acta

標準装置となった。実験室においても、４軸型回Crystallographica Section Dが相次いで創刊され折計に代わってIPを取り入れた装置に転換していた。日本ではタンパク質構造討論会、日本蛋白工学った。私の場合細菌型フェレドキシンの回折強度会、それにタンパク質立体構造の構築原理ワークを、分解能1.0 Å以上まで坂部カメラを使って再ショップなど複数の学会や研究集会が一緒になっ測定した。精密化した結果 R 値は約10 %まで下た。1998年に蛋白合同年会が長岡で開催され、３回がり、[4Fe-4S]クラスターのジオメトリーなどを続いた後蛋白質科学会が設立された。2001年にそ5)

精度よく決定することができた 。の第一回の年会が大阪大学で開催された。この年

結晶解析計算をする方式もこの時期大きく変わ会の副題には「新世紀における蛋白質科学」

った。この時期大型コンピューターはワークステ（Protein Science in the 21st Century）とあり、ーションに移行し、少人数で共有するようになっ文字どおり新しい学会の誕生であった。

た。こうなるとリチャードボックスで分子モデルを物理的に組み立てるのではなく、グラフィクス３.後期（2000年代〜現在）で画面を見ながら処理するようになった。代表的なプログラムにFRODOがあり、これが年とともに2000年ごろ第３世代のシンクロトロン放射光施段々使いやすく改良された。もちろん結晶学計算

設SPring-8が稼働し始めた。この施設を使って回に使う原子座標もモデルからすぐ変換でき、結果

折強度データを収集するに、ディテクターがIPかとしてモデルビルディングの場所は要らなくなっらCCDに変わった。IPだと読み取りに１〜２分かかた。また、構造を精密化する計算プログラムも分ったが、CCDだと数秒である。強いX線だと測定の律子動力学（molecular dynamics）を取り入れた

速はIPの場合読み取り時間になってしまう。CCDのXPLOREが広がっていった。XPLOREの方がPROLSQに出現により、高輝度X線の特徴を生かした回折デー比べて収束半径が広いという特徴があり、次第にタ収集が可能となった。１枚のフレームの回折パよく使われるようになった。私がこの方式で解析

ターンはSPring-8のX線だと数秒で撮れるようにしたタンパク質にペルオキシダーゼがあり6)、研なった。前期では何週間もかかって１データセッ

究室で揃えたワークステーションで一連の計算をトを揃えていたが、中期におけるPFでは３〜４時した。

間となり、それがSPrng-8では一時間もかからなくなった。

タンパク質だけでなくタバコネクロシスウイル
ス（TNV）の構造解析も回折データをPFで収集し、解析計算をするコンピューターも、主流はワーワークステーションで計算処理して構造決定をしクステーションからパソコンに移っていった。文た。ウイルスの場合タンパク質に比べて約二桁分

字通りコンピューターは各個人が持つようになり、子量が大きく、測定量も計算量も桁違いに多い。な

放射光施設でも装置をコントロールするコンピュ

お、我々はTNVの構造解析において、ウイルス粒子ーターを除いてユーザーがパソコンを持ち込み、がもつ正20面体対称を利用して位相を求めるとい解析・評価しながら測定するようになった。
X線結晶解析をする方式・目的はさらに進化した。

う、従来の同型置換法や異常散乱法とは異なった方法で解析をした7)。新しい方法で構造決定したとその一つにタンパク質分子の構造変化を見るよういう点においてもTNVの解析は印象深い。になった。結晶解析は原理的に静止構造・平均構造

1990年代にタンパク質の立体構造を決めるといしかえられないが、酵素の反応過程で短寿命分子うことはX線解析の目標でなくなった。すなわち、種の構造をトラップして見るようになった。私のタンパク質の構造と機能や性質と関連づけられて行った事例ではγ-グルタミルトランスペプチダ議論され、X線解析は構造生物学の一手段になった。

ーゼがある。ここでは液体窒素温度で酵素反応のジ ャ ー ナ ル に お い て は 、 1990 年 代 の 中 頃 に中間体で止め、この構造をX線解析法でみた8)。

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図３. PDBの登録件数の推移 累計登録件数を緑色、各年の登録件数を赤色棒グラフで表している。

また、ヘムオキシゲナーゼでは反応生成物の一つ人々が現在ではタンパク質結晶学に携わっている。

である一酸化炭素分子（ガス）の存在場所を、ヘリX線解析の結果である原子座標をおさめているデウム温度で捉えた。これには酵素反応を起こす代

ータベースProtein Data Bank (PDB)は1970年代のわりに、ヘム鉄に一酸化炭素を結合させた結晶にはじめ約10件でスタートしたが、登録されているレーザー光を照射し、光解離させてガスの行方を件数は1993年に1000件を超えた。それが2014年に9)追った 。このようなことに加えて、タンパク質分10万件を超えた（図３）。また、蛋白質科学会の時子の固さ・柔らかさを視野に入れた研究も多くな

代では蛋白質・核酸複合体の解析例は普通になっった。私が行った例では、植物型フェレドキシンのたし、分子量も桁違いに大きくなった。私はアルフ

フレキシブルな領域（温度因子が大きい領域）は分ァルファモザイクウイルスの構造解析を1980年代

子種に共通しており、柔らかい領域が他の電子伝のはじめ放射光がない時代に手がけた12)。 一枚の達タンパク質と接触している領域に対応している

振動写真を撮るのに１日かかったが、近年では数10)ことを明らかにした 。機能の理解により迫ったと秒で、しかも精度は向上した。1980年代の中頃に始いえる。

まった膜蛋白質の構造解析13)も、今ではずいぶん多解析ソフトウエアは自動化が進み、ブラックボくなっている。最近ではSACLAを利用してフェムトックスとなった。分子モデルを作る場合もかなり秒の蛋白質構造が捉えられるようになった。

人間の手を経ずに出来るようにソフトウエアが開X線結晶解析はかってタンパク質の構造をみる

11)発された。 結果、結晶学の専門家以外の多くの唯一の方法であったが、NMRや電子顕微鏡でも決定92

シリーズ「わが国の蛋白質科学研究発展の歴史」第14回されている。中性子結晶解析も使われるようにな

文 献り、X線結晶解析では苦手であった水素原子の位置を決定することや、窒素と酸素の原子種も容易に

1) K. Fukuyama, et al., Nature 286, 522-524

区別できている。また、中性子解析をしてX線照射(1980)によってクライオ温度でも構造が変化していたこ

2) F. M. Richards, J. Mol. Biol. 37, 225-230とがわかった14)。蛋白質科学会はこれら私の分野を(1968)含め、タンパク質の科学を広くカバーする中心的

3) K. Fukuyama, et al., J. Mol. Biol. 199, 183-学会になったといえる。

193 (1988)
4) K. Fukuyama, et al., J. Biol. Chem. 265,

タンパク質結晶学のものの考え方や取り組み方

15804-15812 (1990).の約40年間の変遷の詳細については、“昭和と平成5) K. Fukuyama, et al., J. Mol. Biol. 315, 1155-の今昔物語−タンパク質結晶学の周辺−”15)という出1166 (2002).

版本を参照していただきたい。

6) N. Kunishima, et al., J. Mol. Biol. 235, 331344 (1994).
7) Y. Oda, et al., J. Mol. Biol. 300, 153-169(2000).
8) T. Okada, et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA
103, 6471-6476 (2006).
9) M. Sugishima, et al., J. Mol. Biol. 341, 7-13
(2004).
10) H. Kameda, et al., PLoS ONE 6, e21947 (2011).
11) M. Yao, et al., Acta Crystallogr. Sect. D 62,
189-196 (2006).
12) K. Fukuyama, et al., J. Mol. Biol. 167, 873894 (1983).
13) J. Deisenhofer, et al., Nature 318, 618-624(1985).
14) M. Unno, et al., J. Amer. Chem. Soc. 137,5452-5460 (2015).
15) 昭和と平成の今昔物語 −タンパク質結晶学の周辺−、福山恵一、BookWay (2014).

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略 歴：1949 年 香川県に生まれる
1971 年 大阪大学理学部高分子学科 卒業
1973 年 岡山大学大学院理学研究科科学専攻修士課程
岡山大学大学院理学研究科化学専攻修士過程修了
1973 年 鳥取大学工学部工業化学科 助手（1980 年 5 月〜1982 年 4 月 米国パーデュー大学生物科学部博士研究員）
1979 年 理学博士（大阪大学）
1987 年 大阪大学理学部生物学科 講師
1991 年

同助教授

1995 年

同教授（1996 年 4 月 大学院理学研究科•教授、2006 年 4 月 専攻•学科名が生物科学となる）
2013 年 定年退職 大阪大学名誉教授
2013 年 大阪大学大学院工学研究科応用化学専攻で研究に従事94