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放射光第 12巻第 3 号(1999年)

生命科学・蛋白特集

生命科学とタンパク質 X 線結品構造解析
神谷信夫
理研@播磨研究所*

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1. 生命科学とタンパク質を構成する 2 本の鎖状分子(便宜的に A， B として区別す

あと 1 年と 9 ヶ月にせまった 21 世紀は生命科学の時代る) ，すなわち核酸の上にならぶ塩基の相補性にあった。と言われている。ある日突然に世の中が一変する訳ではな

核酸塩基には 4 種類しかなく，その 2 個づつが互いに特いにしても，いったい生命科学の時代とはどういうものな異的な結合を形成してお互いを認識する。細胞の増殖に際のであろうか。古来から神秘のベールに包まれて，神聖にして DNA の 2 重ら旋がほどければ， A と B の塩基配列して犯すべからざるものと考えられてきた生命が科学の対が独立に認識され， A を鋳型にして新しい B' (B と同じ象とされ，その知識に基づいて新しい時代が構築されるともの)が合成でき， B を鋳型にして A' (A と向じもの)いうのである。まだ記憶に新しいこととして，少し前にはが合成されることによりは， B')

イギリスでクローン羊が誕生して世界中の話題をさらっ

本の 2 重ら旋ができあがる。と (A' ， B) の新しい 2た。クローンとは遺伝的にまったく同一な固体(または細DNA は良く知られているように遺伝情報を記録するビ胞)のことである。クローン羊の生産はそのままクローンデオテープのようなものである。ワトソンとクリックのモ人聞が践属する世界を我々に想録させて強い衝撃を与えデルの提唱を境にして分子生物学が急速に発展し，ウイルる。しかしながらこのような問題は倫理の範鴎にあり本稿

スや大腸薗から人間まで，様々な生物の遺伝情報，すなわの意図するものではない。本稿ではタンパク質の原子レベち核酸塩基の配列が次々と決定された。連続する 3 個づルにおける立体構造を基礎にしてあらゆる生命現象が語らつの核酸塩基の組みは 1 つのアミノ酸に対応している。

れる時代について論じたい。

タンパク質はこの遺伝情報に基づいて対応するアミノ酸が現在の生命科学の隆盛は， 20 世紀の半ばにワトソンと鎖状に重合したものである。タンパク費こそがあらゆる生クリックによって提唱された DNA の 2 重ら旋モデルの成命現象を実際に進める化学反応の担い手であり，特定の生功に端を発している。このモデルは，生物を特徴付ける上命固体の遺伝形質を決定している。こうして遺伝子とは，でもっとも重要であり，複雑でそれゆえに神秘的に見える

タンパク質の 1 次構造情報を記録している DNA 上の特定遺伝という現象を，物資すなわち分子の概念を用いて説明の領域であるという概念が形成された。

することができた。なぜ細胞は自分と向じものを次々とっ分子生物学の発展の歴史の初期においては，ある生物種くり出して増殖することができるのか。その答えは DNAの 1 つの遺伝子についてその撮基配列を決定することが*理化学研究所・播搭研究所

千 67 9-5143

兵庫県佐用郡三日月町云原 323-3

TEL 0791‑
58‑
2839 FAX 0791‑58‑2834e‑mailnkamiya@sp8sun.
spring8.
or.
jp‑34‑(C) 1999 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research

放射光第 12巻第 3 号

203(1999年)

重要な課題であった。しかしながら DNA はどの生物種かとつである。特に SPring.・.gを初めとする第 3 世代放射光ら得られるものでも向じ化学的性質を持つため，塩基配列施設に導入されたアンジュレータは，解析可能なタンパクの決定法は瞬く聞に t世界中の研究者が日常的に利用するも質の範囲を拡大し，より迅速な構造解析を可能にした。平のとなった。現在では大腸菌の全塩基配列が既に決定され

成 9 年の 10 月から SPring圃8 で共同利用運転を開始したタている。また複数の生物種の遺伝情報をまるごと解明しよ

ンパク質結晶解析アンジュレータビームライン (BL41XU ，うとするゲノム計画が複数開始されており， 21 世紀初頭

図 1 参照)は， X 線を利用してタンパク賓の立体構造をにはヒトの遺伝情報の全容が解明されるであろう。

よりルーチン的に迅速に決定すること，特に分子量の大きそれでは生命科学は 21 世紀初頭で終わりを告げるのでいタンパク質や小さな結晶試料など， X 線屈折能の低いあろうか。そうではない。これまで多くの生物学者が特定ものに解析対象を拡大することを目的に建設されたものでの生命現象を理解しようとして，対象とする遺伝子，すなある 1-3) 。

わちタンパク質の 1 次構造を決定しでも，それは依然とタンパク費結品構造解析を行うにあたりまず解決しなけして暗号のような情報の羅列にすぎなかったのである。タればならない問題は，言うまでもなくタンパク質試料の結ンパク質は鎖状に重合したアミノ酸から，多くの場合自発晶化である。タンパク質の結品化は，タンパク費分子表面的に，球状にからみあった 3 次元的な立体構造を形成すの電荷の分布や結品内部でのパッキングに作用する金属原る。タンパク震はこの立体構造の場において特異的な生命子，沈澱剤の種類や温度など，数え上げたらきりのないほ反応を進行させるものであり，我々はその立体構造を解明ど多数のパラメータに依存しているため，これまで結品化して初めて生命の本質にせまることができる。に成功したほとんどは，研究者による多数の試行錯誤の結タンパク質を構成するアミノ酸の数は数百から時には数果である。それゆえにタンパク糞の結晶化条件の体系化は千にも及ぶ。その自発的な立体構造の形成過程をシミュレ国難なものと考えられてきたが，最近になって，従来の代ートして 1 次構造から立体構造を正確に予測できるなら，表的な結晶化例をまとめる努力が行われ，新規タンパク質

生命科学の発展は 20世紀中に終結していたかもしれない。

を結晶化しようとする際にまず試してみるべき結品化条件

しかしながら現実には，タンパク質の立体構造形成過程はが示された4) 。またその結品化条件を簡単に実現できる試非常に多数のパラメータからなり，タンパク質の立体構造薬が市販されるに歪り，初めてタンパク繋の結品化に挑戦の形成過程をシミュレートするためには，ほとんど無限としようとする生物学者の感じる壁を低くすることに貢献し考えてよいパラメータの組み合わせのすべてを検討しなけている。

ればならない。このような予測はコンピュータ科学の発達タンパク質結晶構造解析を成功に導くよで克服しなけれした現在においてもほとんど不可能である。各タンパク費ばならないもうひとつの問題は，結晶構造解析には必ずつに特異的な立体構造を実験的に解明して生命現象を論じよいてまわる，いわゆる「位相決定」である。タンパク質のうとする構造生物学が発展しつつある所以である。

立体構造を実験的に決定するためには，結品内部の電子密度分布を求める必要がある。これはタンパク質結晶からの2. 放射光を利用したタンパク質結晶構造解析

回折線の特性(振轄と位相)をすべて決定すればフーリエ

構造生物学では原子レベルの分解能における立体構造情変換として計算される 5) 。しかしながら X 線の位相を実験報を必要とする(本特集の野中孝昌氏の稿を参照された的に求めることは容易ではなく，特に分子量の大きいタンい)。それは生命現象の本質にかかわる化学反応が，主にパク質の結品構造解析では従来から独特の方法が開発され水素，炭素，窒素，酸素から構成させるアミノ散の関与に利用されてきた。重京子多重向型寵換 (MIR) 法では，より進行するためである。もちろんタンパク質全体の構造元となるタンパク質の結品とともに，それに重原子を付加変化が生命現象に直接係わるような場合には，より分解能した誘導体を複数必要とする。この重原子誘導体は元の結の低い構造情報が大きな意義を持つことは明らかである

品と向型，すなわち誘導体結晶におけるタンパク賓のパッ(本特集の藤沢哲郎氏の稿を参照されたい)。しかしながらキングや立体構造は重掠子が付加されていること以外にはこの場合でもタンパク質全体の構造変化の前には必ず原子まったく向等でなければならない。本来タンパク質は多種レベルでの化学変化が先行しており，その直接観測が必要類の重原子試薬と化学反応しやすい性質を持っており，そとなる(本特集の岡俊彦氏らの稿を参照)。の重原子化そのものは容易であるが，この向型性を満足す

巨大なタンパク質の立体構造を原子レベルの分解能で決るものは容易には得られない。そのため MIR 法に基づく定できる手法としては， X 線結品構造解析，核磁気共鳴，タンパク質結品構造解析では，多数の重原子化試薬を利用電子顕微鏡を考えることができる。これらの手法は互いにして試行錯誤的な重京子誘導体の探索が必要となる。

相補的なものであるが，その適用範囲の広さと構造解析結BL41XU では，ビームラインの優れた特性を利用してひ果の信頼性において X 線結晶構造解析の右に出るものはとつの結晶試料に対する測定を迅速化し，一方測定とほぼいない。タンパク質の X 線結晶構造解析法は，近年の放平行して重原子誘導体の向型性を検定できるシステムの構

射光科学の進展により飛躍的な発展を遂げているもののひ築を目指している。

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タンパク質結品構造解析に対して放射光がもたらした福る。これを位相決定に積極的に利用すれば，必要とされる音のひとつは， X 線エネルギーの可変性(チューナピリ

重原子誘導体の数を減らすことができる。これはタンパクティ)である。上述した重原子誘導体に含まれる重原子質結品構造解析のルーチン化に非常に有効である。なお異は，その X 線吸収端の前後で顕著な異常分散効果を示す。

常分散効果は原子量の大きい重原子に限ったものではな放射光を利用すれば，各重原子に対して最も大きな異常分い。タンパク質結晶構造解析では，タンパク質に人工的に散効果 (OAS) を示す X 線エネルギーを自由に選択できセレンを導入して，その異常分散効果のみを利用した多波

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205(1999年)

長異常分散 (MAD) 法による構造解析の自動化が急速にかしながら IP ではその動作東理に依存して，回折像の記広がっている。 MAD 法に関しては本特集の中川敦史氏の録と読み出しを空間的に異なる場所で行う，読み出し用の稿を参照していただきたい。

点状に集光したレーザー光を機械的にスキャンするなどのさて MIR と OAS を組み合わせてタンパク質結晶構造ために，回折{象の読み出しに要する時間が長いという欠点

解析をルーチン化するためには，まずビームラインの光学がある。 BL41XU では，新規のレーザースキャン方式の素子を自動調整して任意のエネルギー選択性を確保しなけ開発によりその読み取りの短縮をはかる R&D を進めてればならない。この作業には，本来の分光素子としての役いるが，この問題に対する抜本的な解決にはより高速な読割とともに，アンジュレータ光源の発する熱負荷を除去すみ取りが可能な CCD 検出器の導入が不可欠である。

るという重大な役割を担う SPring-8 の標準モノクロメータを十分に使いこなす必要があった 6) 。この困難な問題も最近になってようやく解決への目処がたち，現在では自的

3. 構造生物学と放射光タンパク質はその分子量が時には 200 万にも及ぶ巨大なとする任意の X 線エネルギーを簡便に選択可能となってものであり，その結晶から得られる信号(回折点)は極めいるの。て多数であると同時に極めて微弱である。またタンパク質

一方 MIR-OAS ルーチン解析の実現には，アンジュレータの優れた特性に見合う実験ステーション内の回折計，の結晶は 10 ミクロンから 100 ミクロン程度という小さなものしか得られない場合が多い。 SPring-8 のアンジュレー付罵する装置，データ処理系のハードとソフトウエアの開タ光源はその超高輝度特性により，直径が 100 ミク口ン程

発などがあわせて必要である。図 2 に， BL41XU の実験度の領域に平行性の高い大強度の X 線ビームを集中させステーションに設置された回折計を示した。ここでは主なることができる。タンパク質の結品にアンジュレータ光をX 線検出器として富士フィルム社の開発したイメージン照射すれば，10 万点を越える回折点を一度に記録するこ(IP)8) を採用している。 IP はタンパク費結品とができるの(図 3) 。これは極めて多数で微弱な回折点を構造解析においては特に重要となる広い有感面積， 6 桁に測定しなければならないタンパク質結晶構造解析においグプレートも及ぶダイナミッグレンジをもち， MIR-OAS 法で利用て，アンジュレータ光がもっとも優れた光源であることをされる広いエネルギー範囲にわたる X 線に対して高い感証明している。またアンジュレータ光の超高輝度特性は，度を示すなど，非常に優れた検出器として働いている。し従来の装置では観測できなかった領域まで測定限界を広げる，すなわちタンパク費結晶構造解析の分解能の改善を可Figure2. MIR‑OASdiffractometer.

Figure3. Largeangleoscillationdiffractionp
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206放射光第 12巻第 3 号( 1999年)

さてタソパク質結晶構造解析に基づく構造生物学は ， 現能にした。

タソパク質は巨大な分子でありながら ， そこで進行する

在生命科学の広い領域にわたって展開されている。これは生命反応は，例えば pH 試験紙の色が変わるのと同様にあ生命現象そのものとむいえるタンパグ質問の相互作用をタくまで化学反応であり，蛋白質の機能を解明するためにはーゲッ 卜 にしたものであり ， その動向は 2 つの大きな流それを構成するそれぞれの原子を識別できる高分解能の構れ に分類できる。ひとつは最初に述べたゲノム計画ともカ造解析が要求されることはすでに述べたとおりである。チップルして，可能な限り多くのタソパク質についてその立

トクローム酸化酵素(図的 は合計 13種類の蛋白質が寄り体構造を解明しデータベース化することで，タンパク 質問集まってひとつの機能単位を形成し，細胞呼吸で中心的なの相互 作用をコソビュータ上でシミュレートしようとす役割を果たしている。細胞呼吸とは細胞が外界から酸紫をる。この流れでは本年度より ， 高度高熱菌で働いているタ取り込んで生命活動に必要なエネルギーを生み出すもの

ソパク質のすべての立体構造を解明しようとするプロジェ

で ， チトクローム酸化酵素は細胞膜上で水繁イオンをくみクトが理研で開始される。 2 つめは結晶構造解析の対象を上げる生体ポンプとして働いている。すなわちこの酵素の単独のタンパク質から複数のタンパク質の複合体へ移行さ機能を解明するためには， 原子の中でももっとも小さい水せ ， 生命現象の現場を直接解明しようとする。これは上述素原子が反応の進行に伴って細胞の内外を移動する様子をしたチトクローム酸化酵素のように複数のタンパク質がひ明らかにしなければならない。大阪大学蛋白質研究所の月とつの機能単位を形成している場合に留まらない。タンパ原宮武教授ら ， 姫路工業大学理学部の吉川信也教授らのグク質としては個別に存在するものでも，一連の生命反応がJレープは共同で ， SPring-8 を利用して本酵素の超高分解進行する条件においては複合体を形成する場合が多く ，能構造解析を進めており，その本性が明らかにされる 日 はれ をまる ご と構造解析しようというのである 。 この流れで近い。

は文部省科学研究費特定領域研究「シソクロトロソ放射光こSPring-8 では現在 ， 多数のタソパク 質 をタ ー ゲッ ト にによる生物マシーナリーの構造生物学」が本年度より 4した結晶構造解析が複数のビームラインで進められてお年間の予定で開始される。このような 2 つの流れはどちり ， 今後も着実に成果が報告されるであろう。しかしながらも SPring-8 の利用を前提に し ており，またどちらも世ら SPring・8 が出現した現状ではもはや，個別のタソパク界的な激しい競争の中にある。

質の立体構造が解明されることに満足していることはできない。生命現象をコンビュータに例えるならタンパク質は4. 21 世紀の生命科学の発展のためにその部品である IC チップに過ぎないのであり，その部品本稿では最初に，生命科学の時代と呼ばれている 21世がどのように組み合わされ，どのように制御されているか紀のイメージを問いかけた。そのイメージは以上述べてきを知らない限りコソビュータ左はいかなるものかを理解すたように，タソパタ質結晶構造解析(や核磁気共鳴， 本稿ることはできない。この事情は生命現象を理解しようとすでは触れていなし、)を手法とした構造生物学を基礎としてる場合にもそのままあてはまる。

構築される世界である。あらゆる生命現象を記述するために，原子レベルで立体構造を決定 し たタンパク質分子が利用される。生命現象は多数のタンパク質の相互作用により説明される。その栂互作用は . 実際に複合体の結晶構造解析を行った結果である場合もあれば， コンビュータ上のシミュレーショソによる場合もある。

このようなイメ ー ジは ， 突は膨大な撒のタソパク質について立 体構造情報が蓄積されることを前提にしている。それにはタソパグ質結晶構造解析が ， 天秤を 使 っ て物質の質量を測定するように日常化し大衆化する必要がある。本稿でも述べてきたように現在の生物学は確実に構造生物学へとその中心を移行させつつあり，タソパク質結晶構造解析を実行しようとする生物学者の鮫 は日増しに増加している。タンパク質結晶構造解析は手法的にもほぼ完成された段階に近づいてきており ， その大衆化の素地は十分にある。しかしながらここで我々の前に大きく立ちはだかる問題があるとすれば，それは放射光施設におけるビームタイ

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ムの不足である。言うまでもなく放射光施設は世界的にも数える程度しかない。 1 つの施設には多数のビームラインを建設できるとは言え ， 放射光施設はあらゆる物質科学の‑38‑

放射光第 12巻第 3 号

207(1999年)ために建設され利用されている。これをいかに分配するかはそれぞれの施設が建設された経緯や，立地条件，科学の進展の程度にもよるなど，高度に政治的な判断によらざるを得ない。それを議論することは本稿の任ではないが，本稿により， 21 世紀の生命科学においてタンパク費結晶構造解析が占める役割が放射光科学のコミュニティにいっそう理解され，ひいては生命科学の発展に寄与できればと願うものである。

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