X 線小角散乱法によるタンパク質溶液の評価 Characterization of protein solution by small-angle X-ray scattering 引間孝明(生命系放射光利用システム開発ユニット) Takaaki Hikima (SR Life Science instrumentation Unit) [email protected] 基盤研究部では理研研究者からのタンパク質溶液の Ｘ線小角散乱測定に対するビームライン利用相談を受 け付けている。寄せられた相談に対して利用コーディネ ーターと相談し、必要に応じてビームラインでの実験可 能性を評価するため、コーディネーターの監督のもと相 談者と共同で本課題枠にて予備実験を行なう。本課題の もとに行なった実験は以下の通りである。 ヌクレオソームの溶液構造解析 クロマチンの構造とダイナミクスは転写、DNA 修復・複 製・組換え、染色体分配などの制御に関わる。ヌクレオ ソームはクロマチンの構成単位であるため、その構造解 析はクロマチン構造を理解する上で重要である。2012 年度は様々なヒストンバリアントを含むヌクレオソー ムの SAXS による解析を行った。これらのヌクレオソー ムは構造の柔軟性のため、SAXS による解析が有効であ る。含まれるヒストンバリアントの種類により、ヌクレ オソームの構造は大きく異なっていることが示された。 マルチドメインタンパク質の動的構造の解析 タ ン パ ク 質 は 天 然 変 性 タ ン パ ク 質 (Intrinsically Disordered Protein, IDP)は生理的条件下で単独では特 定の立体構造を形成しておらず、ポリペプチド鎖が大き く揺らいだ状態で存在する。このような IDP や ID 領域 を持つマルチドメインタンパク質の構造解析は、X 線結 晶構造解析や電子顕微鏡などの既存の手法だけでは困 難である。我々はマルチドメインタンパク質の動的構造 を解析するため、SAXS と分子動力学シミュレーション (MD)を組み合わせた MD-SAXS という新たな手法の開発 を進めている。2012 年度は複数のマルチドメインタン パク質からの SAXS データ収集を行った。これらのマル チドメインタンパク質は凝集が起こりやすく、良好な SAXS データの収集が困難な場合が多かった。また、マ ルチドメインタンパク質は分子サイズが非常に大きく、 解析には低角の散乱データが必要である。これらの問題 を解決するためには放射光施設での SAXS 実験が必要不 可欠であった。我々は希薄なタンパク質溶液を用いて、 BL45XU で SAXS 実験を行うことでタンパク質の凝集を抑 えることに成功した。ギニエ解析により、これらの試料 溶液は凝集体を含まず、良好な SAXS データを収集でき たと判断された。現在、得られた SAXS データをもとに MD-SAXS による構造解析を進めている。 Research Infrastructure Group provided consultation for characterization of protein solution by small angle X-ray scattering. We considered the adequacy of the characterization measurement in RIKEN Structure Biology Beamline I, BL45XU, with our coordinators. In this project, we did several preliminary experiments as follows. An analysis of solution structure of nucleosome Structure and dynamics of chromatin is important for regulation of transcription, DNA repair, replication, recombination, and chromosome partitioning. The nucleosome is the fundamental unit of chromachin. Therefore, structural analysis of the nucleosome is important for understanding of structure of chromatin. In 2012, we carried out the SAXS analysis of nucleosome which contains various histone variant. These nucleosomes do not form rigid structure, therefore, SAXS analysis is effective. The structures of nucleosome were dramatically different by histone variant. Dynamic structural analysis of multidomain protein Intrinsically disordered proteins (IDPs) characterized by a lack of stable tertiary structure when they exist as isolated polypeptide chains under physiological conditions, are very flexible in solution. Because of its flexible structure, structural analyses of IDPs and multi-domain proteins with large ID regions by conventional methods such as protein crystallography, electron microscopy and so on are quite difficult. Therefore, development of novel methods characterizing these flexible proteins in solution at atomic level is absolutely necessary. In view of this consideration, we have developed a novel method, named MD-SAXS that combines SAXS and molecular dynamics (MD) simulation, to analyze dynamic structure of multi-domain proteins with large ID regions. In 2012, we have collected SAXS data from various multi-domain proteins. Because mainly of aggregation, it was, however, difficult to collect SAXS data suitable to the structural analysis by MD-SAXS. Furthermore, in addition to that problem, scattering data at low angle was required because molecular size of multi-domain protein is large. To solve these problems, SAXS experiment at synchrotron was necessary. We have tried SAXS experiment in BL45XU at quite low protein concentration, and succeeded to avoid aggregation. In fact, Guinier analysis indicates that these sample solutions do not contain any aggregated proteins. Structural analyses of these proteins by MD-SAXS are in progress.
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