テーマ

「タンパク質用中性子構造解析装置iBIXの成果と今後の解明すべき課題」

開催趣旨

　クライオ電子顕微鏡EMは、結晶化を必要とせず、水溶液中のタンパク質を凍らせて立体構造を決めます。いくつかのユニットから成る巨大な複合タンパク質に威力を発揮し、100ｋDa以上のタンパク質では、2 Å程度の分解能を切るデータもあり、水素原子も観測される場合もありますが、他方100kDaを切ると困難となります。X線結晶構造解析は、現在も結晶化が可能であればタンパク質の構造を決める重要な手段です。では、中性子結晶構造解析の得意な領域、特長はなんでしょうか。中性子解析は、分子量が70kDa以下で、X線で立体構造が決まったタンパク質を対象としますが、2 Åより高分解能であれば、水素原子を観測出来、しかも、軽原子Hと重原子Dを区別することができます。X線では、超高分解能の結晶で初めて水素原子は観測可能となりますが、HとDを区別することは出来ません。
　中性子構造解析で注目されるのは、活性領域の酵素反応に関与するあるいは創薬となる可能性のある化合物と相互作用するアミノ酸残基の側鎖と水分子の観測です。中性子回折では、バックグランドを低くするため軽水で結晶化したのを重水にソーキングする、あるいは重水で結晶化します。今後注目すべきことは、タンパク質のアミノ酸残基の側鎖の窒素あるいは酸素に結合するHがDに入れ替えられることであり、骨格のN-HがN-Dに入れ替えられることです。しかも、早く入れ替えられる部分と入れ替えられない部分があります。溶液中でも結晶中でも重水D₂Oが来たとき、反応自体は共通です。結晶においては、外側と内側で重水が侵入してくるスピードが異なります。D₂O溶液中だとすべてのタンパク質について同じです。水素のHとDを区別し、交換する割合を求めることが可能であり、ゼロから1まであります。重水で結晶化しても、全然Dに交換しない部分もあるし、交換比率が1に満たないところもあります。重水ソーキング法でも創薬となる可能性のある化合物との相互作用をする部分もDにある割合で交換されます。水素結合を形成するHもDの交換が観測されます。交換割合は何できまるのか、交換機構を考える時期に来ています。交換機構を解くことが結晶中のタンパク質の周囲の水分子の挙動が分かり、化合物の結合には水素結合の寄与もあるが疎水的相互作用が重要であることを示唆しているかもしれません。
　中性子構造解析により、プロトン互変異性が観測され、水素原子の存在率、水素結合の有無、金属イオンに配位するヒスチジンのプロトン化の状態等が観測されました。今回この研究会では、これまで中性子結晶解析の結果で何が分かったかを報告して頂き、更に今後の課題を考えて頂く機会にしたいと思います。

主催

茨城県中性子利用研究会

共催

中性子産業利用推進協議会（IUSNA）、J-PARC MLF利用者懇談会

協賛

総合科学研究機構（CROSS）中性子科学センター