電子顕微鏡像に基づくリボソームの精密な立体構造解析

基于电子显微镜图像的核糖体精确三维结构分析

• 批准号: 17053029
• 负责人: 石田 恒
• 金额: $ 1.98万
• 依托单位: Japan Atomic Energy Agency
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• 财政年份: 2005
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2005 至 无数据
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-17053029/
• 关键词: リボソーム; 立体構造; 基準振動解析; 分子動力学法; X線結晶解析; 電子顕微鏡像

本研究では、遺伝子情報翻訳装置であるリボソームの原子分解能の立体構造を、電子顕微鏡像とX線結晶解析のデータ及びバイオインフォマティクスと分子動力学シミュレーションの手法を用いて構築し、リボソームの機能を原子レベルで理解することを目的とする。まずリボゾームの初期構造を作成するために、リボソームのX線結晶解析による立体構造(PDB:1YL3と1YL4、解像度5.5Å、遺伝子情報翻訳進行状態)を用いた。ただし一部、原子座標の特定されていない欠落部位が存在していたため、ホモロジーモデリングをすることで、全原子の立体構造を作成した。更に、我々は分子の柔らかさも考慮しながら立体構造を電子顕微鏡像にあてはめられるように、Gaussian Networkモデルによる基準振動解析および分子動力学シミュレーションを実行するプログラムを開発し、より現実的なリボソーム立体構造の精密化を可能とした。あてはめにはEMBL-EBIに登録されている遺伝子情報翻訳休止状態のもとに得られた電子顕微鏡像、1068(解像度13.4Å)を用いた。結果、電子顕微鏡像と約80%程度に一致するリボソーム立体構造を原子レベルで作成することができた。なお、これ以上に立体構造を電子顕微鏡像に当てはめると、立体構造が不自然な形になってしまうことがわかった。作成された立体構造と初期構造において、リボソームを構成するタンパク質の立体構造の違いを比較したところ、重心間移動距離について平均約2Å、配向について平均5度の違いが見られた(リボソーム全体構造について約6Åの違い)。以上、電子顕微鏡像にあう精密な立体構造を構築することができた。また構造変化は、リボソームの遺伝子情報翻訳の進行状態と休止状態における立体構造の違いを反映していることがわかった。

这项研究旨在了解使用电子显微镜图像和X射线晶体学数据以及生物信息学和分子动力学模拟技术的核糖体的原子分辨率三维结构，这是一种遗传信息翻译装置，并了解原子质水平的核糖体功能。首先，为了创建核糖体的初始结构，使用核糖体的X射线晶体学使用了3D结构（PDB：1yl3和1yl4，分辨率5.5Å，遗传信息转化的进展）。但是，由于有一些缺失的位点没有指定的原子坐标，因此所有原子的三维结构都是由同源性建模创建的。此外，我们开发了一个程序，使用高斯网络模型执行参考振动分析和分子动力学模拟，以便将三维结构拟合到电子显微镜图像中，同时考虑到分子的柔软性，从而更真实地对核糖体结构进行改进。对于拟合，使用了电子显微镜图像，1068（分辨率：13.4Å），在EMBL-EBI中注册的遗传信息翻译的静止状态下获得。结果，与电子显微镜图像一致的核糖体三维结构可以在原子水平上创建约80％。此外，已经发现，如果将三维结构应用于电子显微镜图像，则三维结构将变得不自然。比较核糖体之间核糖体的蛋白质的三维结构的差异时，在重力中心之间传播的距离约为2Å，方向的差异约为5度（整体核糖体结构的差异约为6Å）。这导致了与电子显微镜图像相匹配的精确的三维结构的构建。还发现结构变化反映了核糖体遗传信息翻译的进行性和休息状态之间三维结构的差异。