Name: 中性子結晶学データの収集とタンパク質構造における水素原子のモデリング処理 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-12-01T15:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 10 s
Description: 学ぶ中性子タンパク質結晶学の手法とデータ収集・解析のワークフロー。石英キャピラリーへの結晶マウンティングから中性子回折データの収集、水素原子位置の決定まで、構造生物学におけるタンパク質機能解明のための強力な技術を解説する。

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タンパク質発現、精製、結晶化実験は、オークリッジ国立研究所の米国エネルギー環境研究局の構造分子生物学センター(CSMB)で行われました。中性子回折データは、米国エネルギー省エネルギー省基礎エネルギー科学局の科学ユーザー施設部門が後援するORNLのスマレーション中性子源(SNS)のBL-11B MaNDiで収集されました。著者らはブレンダン・サリバンに対し、データ削減に関する支援に感謝している。X線回折データは、ノースカロライナ州が支援するノースカロライナ州立大学の分子教育・技術・研究イノベーションセンター(METRIC)施設で収集されました。GCSは、国立研究財団(NRF)、南アフリカ、およびORNLの大学院機会(GO!)プログラムからの支援を認めています。FMは、USDA NIFAハッチ211001からのサポートを認めています。

著者らは開示するものは何もない。

中性子タンパク質結晶学は、タンパク質におけるプロトネーション状態と水分子の配向をプローブする高感度技術です。この情報は、プロトン化と水素結合相互作用の変化がしばしば酵素化学10の中心であるため、タンパク質触媒機構に光を当てます。中性子タンパク質結晶学は、有益な技術であるにもかかわらず、中性子回折実験を計画する前に考慮すべき多くの要因を有する。
<ol><li>データ収集のための大きなタンパク質結晶の要件。</li>
	<li>水素や金属イオンなどの他の元素の散乱特性。</li>
	<li>重なったサンプルを扱う場合の構造の改良およびモデル構築ソフトウェアの制限。</li>
</ol>中性子タンパク質結晶学は、フラックス限定の技術です。X線回折データセットとは対照的に、Rファクターが高く、完全性が低く、中性子データセットの冗長性と信号対雑音比が期待されています。1 つのフレームのデータ収集は、通常 12 ~ 18 時間です。実験の成功は、サンプルのサイズと0.1 mm3の結晶を使用した品質に大きく依存します。中性子回折では、10~800μLの結晶化液を設定するために大量のタンパク質を生産する必要があります。十分に大きな結晶を成長するための最小体積は、結晶とサンプルパラメータ(https://neutrons.ornl.gov/imagine)を与えられたボリューム計算機を使用して推定することができます。大きな結晶の成長は、蒸気拡散3によって最も一般的に達成されている。吊り落としの結晶化により、10~25μLの大きな滴で結晶の成長が可能となり、市販のシッティングドロップ装置14,54を使用して、最大~50μLまでの大きな滴を設定できます。シリコン化された9ウェルガラスプレートは、最大800 μLの体積で非常に大きな滴をセットするために使用できます。これらのガラス板はハンプトンリサーチから市販されている「サンドイッチボックス」に入れられます。さらなる結晶化技術は、容器によって滴径の限界が決まるバッチ結晶化を含む。バッチ結晶化実験をセットアップすると、マイクロリットルからミリリットル55までの範囲が可能です。また、透析は、透析膜を介して沈殿物と平衡化される透析技術を用いて、あるいは沈殿物濃度勾配に沿った逆拡散またはアガロース56,57などの多孔質プラグを介して行うこともできます。シードは、所望の体積の結晶を得るための別の代替手段を提供する。NcLPMO9D45の大結晶を含む、大結晶成長のためにマイクロおよびマクロシードがうまく採用されている。溶解度に対する温度の影響を含むタンパク質相図の知識は、大きな結晶成長に役立つ。
中性子回折実験を計画する際には、回折データ収集中のシグナル対ノイズ比を最大化するタンパク質調製の最適化が不可欠である7。H原子による密度の取り消しと高い支離滅裂散乱を回避するために、正のコヒーレント散乱長と低い支離滅裂散乱長を有する同位体DのH原子を交換することで、中性子SLDマップを改善することができます。これを達成するために、重水素化結晶化緩衝液に対する水素化タンパク質結晶の蒸気交換が行われる。これにより、溶媒分子と不安定でtitratableタンパク質H atoms23のH/D交換が保証されます。蒸気交換は、水素化結晶をD2O系の重水素化結晶化バッファー「プラグ」を用いて石英キャピラリーに取り付けることによって行われ、最も頻繁に適用される効果的で穏やかな技術を表します14,23,35。交換には数週間かかる場合があり、最大H/D交換を確実にするために、重水素化バッファーを頻繁に変更する必要があります。H/D交換は、重水素化緩衝液中に結晶を直接浸すことによっても行うことができる。D2O露光によるストレス下に結晶を配置することを避けるために、D2O:H2O比58を段階的に増加させることによって、浸漬プロセスを徐々に行う必要があります。これに加えて、水素化タンパク質の結晶化は、不安定性H部位22,59でのH/D交換用の重水素化緩衝液でも行うことができる。ただし、D2O系緩衝液は、公知のH2O系条件の更なる調整を必要とするタンパク質溶解度に影響を及ぼす3,59である。D2O系バッファーは、場合によっては小さい結晶につながることも観測されています59。Titratableと炭素結合H原子をDに完全に交換するには、重膜媒体中のタンパク質を発現させて透過サンプル20を生成する。透過サンプルの結果として得られる中性子SLDマップは大幅に改善され、水素化されたサンプルの密度キャンセルが表示されなくなりました。これは、タンパク質または補因子において交換不可能な部位で結合したH/Dを特徴付けると効果的である。しかし、透過タンパク質の発現は、コストが高く、かつyield60では低い。オークリッジ国立研究所(ORNL)構造分子生物学センター(CSMB)は、透過サンプル(https://www.ornl.gov/facility/csmb)を生成しようとするユーザーのための重水素化施設を提供しています。透過化発現は、典型的には、精製タンパク質61の〜50mgの収量を1Lスケールでバイオリアクターで行う。
中性子回折データの収集に続いて、洗練とインタラクティブモデル構築が行われます。改良は、phenix.refine、nCNS、またはSHELXL28、31、32、33を含む複数のソフトウェアスイートを使用して実行できます。Phenixスイートは、中性子SLD map34からモデルを手動で構築するために使用されるクートと組み合わせて中性子回折データを改良するために最も一般的に利用されるソフトウェアです。フェニックスとクートの両方が中性子回折データの処理を可能にするが、中性子データおよび重水素化されたサンプルに関連する特異性を処理するために必要な特定の特徴を欠いている可能性がある。例えば、Cootは重水素化残基のジオメトリ最適化を含まないため、「リアルスペースリファイン」機能は「爆発」残基を生じるため、モデル構築中に複雑化を招く可能性があります(補足図26)62。これは、すべての重水素残基の拘束ファイルを生成することによって解決することができます。ただし、これは集中的なプロセスであり、そのようなライブラリは現在一般に公開されていません。Phenix で改良を行う場合、交換可能な H/D サイトは、最初は H および D の占有率 0.50 に設定されます。改良が行われると、HとDの占有率は中性子SLDマップに従って洗練されます。インタラクティブモデル構築中、差分密度 Fo-Fc マップは、H/D 占有を評価する上で非常に有益です。マップを使用して、どのサイトが高 D 占有率を持っているのかを判断できます。ただし、H:D占有率は0.70:0.30に近く、中性子SLDマップ64で完全な信号キャンセルが発生します。また、準ラウエ中性子データセットは、多くの場合、X線回折データの98%≥日常的に観測されるよりも低い80%の完全性を有することを考慮する必要があります。Phenixで中性子回折データをリファインする場合、欠落している観測振幅(Fo)がモデルから計算されて反射リストが完成し、モデルバイアスが導入されます。この潜在的なバイアスを考慮するには、「no_fill」マップではなく、インタラクティブモデルの構築中に検討する必要があります。
ユーザーは、構造の共同X線/中性子データの洗練、または中性子データのみの改良を実行することができます。中性子SLDマップの視覚化は、特に低解像度で、特にH/D蒸気交換にもかかわらず交換不可能な部位にHがまだ存在する水素化タンパク質に対して、特に混乱している可能性があります。これにより、中性子密度マップのキャンセルが発生し、不連続マップの印象を与える65,66。対応する X 線データセットを収集すると、これらの取り消しを共同絞り込みで補完できます (図 13A および図 13B)。関節改良戦略では、通常、X線データに対してタンパク質骨格座標を改良し、中性子回折データを使用して交換可能な部位28におけるH/D原子の位置と占有率を改良する。交換可能な場所でのジョイント H/D 占有率の導入により、洗練されるパラメータの数が増えるため、X線データによるジョイントの絞り込みによって、データ対パラメータ比も増加します。関節の改良には、同じ結晶または同じ条件で成長した結晶上の同じ温度で、対応する X 線データセットを収集する必要があります。室温(300K)で収集された中性子回折データの場合、放射線損傷を制限するために低線量のデータ収集戦略を用いて、対応するX線データセットを室温で収集する必要があります。対照的に、透過サンプルは、H/D信号のキャンセルの同じ大きさを持たないので、改善された、連続的な中性子SLDマップを提供する。しかし、金属や硫黄を含む特定の元素の中性子散乱の長さは、たとえタンパク質が透過化されていても、中性子SLDマップでは見えにくい(図13C-F)18。金属を特徴付ける必要がある場合は、関節の細分化でX線回折を利用するか、分光技術を適用して回折実験を補完するのが最善です。中性子のみのデータの改良は、中性子データセットが高解像度の場合や、透過性タンパク質を使用した場合に行われることがよくあります。また、X線由来の構造が放射線誘発物を保有する可能性があるため、放射線損傷に対して高感度なタンパク質が研究されている場合は、中性子のみのデータ精製が特に有用です。中性子データのみの改良を行う場合は、対応する中性子データセットに十分な完全性と解像度があるかどうかを確認する必要があります。
ORNLは、HFIRのIMAGINEビームラインとSNS36,67のMaNDiビームラインの2つの中性子回折データを収集するための2つの施設を提供しています。どちらの装置も同様の原理を用いた中性子回折データセットを収集する有効な手段を提供しますが、各機器にはビーム時間を適用する際に考慮すべき固有の仕様があります。IMAGINEは、準ラウデータを収集し、単位セルを持つ結晶上の室温データ収集に最適化されています。.MaNDiは、~300Åまでのユニットセルを持つ結晶上のTOF-Laueコレクションを用いた室温および低温データの収集に使用できます。完全なデータセットを収集する前に、結晶に対してテストを行い、結晶が単一フレームの中性子ビームに露出する回折パターンの品質を評価します。結晶が十分な品質の場合、完全な中性子回折データセットが収集され、インデックス化され、統合され、スケーリングされ、X線データ処理に類似したプロセスにマージされます。IMAGINEはラウエゲンとLscaleを利用し、MaNDiはマンティッドパッケージを利用し、3次元プロファイルフィッティング48、50、51、68、69,70を採用しています。これらの施設のいずれかでユーザーになる科学者は、さらなる分析のためにMTZまたはHKL形式のデータセットを提供されます。
中性子回折は、生体高分子のプロトネーション状態と水素結合相互作用を調査するための非破壊性、高感度の技術です。特に光感受性タンパク質やメタロタンパク質に有用です。実験を行う前に、この技術とデータの処理に関するいくつかの考慮事項を考慮する必要がありますが、結果は結果をもたらし、目的のタンパク質の触媒メカニズムに関する貴重な洞察を与える可能性があります。中性子タンパク質結晶学は、計算、構造、生化学的、分光学的研究を補完し、生物学者の生物学的高分子を特徴付けるために使用される技術の貴重なツールとなっています。

中性子高分子結晶学は、タンパク質の構造と基礎となる化学に独特の窓を提供する技術です。概念的にはX線回折と同様に、中性子回折は高分子構造の原子論的詳細を提供するが、中性子と核の相互作用は光原子の局在化を可能にし、しばしばX線回折1で検出することが困難である。X線回折の間、X線は電子雲から散乱し、水素(H)などの光原子が、近くにある電子密度マップでは見え難く、サブオーングストローム解像度2に近い。対照的に、中性子の散乱強度は、同じ元素の同位体が異なる散乱長さを示す、核との複雑な相互作用に依存する。したがって、水素(1H)や重水素(2HまたはD)などの光原子とその同位体は、中性子散乱長さ密度(SLD)マップにおける骨格炭素、窒素および酸素原子と同等の視認性を有する。さらに、中性子散乱の大きさは電子の数とは無関係であるため、X線散乱で観測されるように、重元素から散乱しても重元素が近くにある場合には、重元素によって散乱が隠れつづけない。中性子回折を採用する際のHとその同位体Dの視認性の向上は、触媒的に重要な残基、補因子および配位子の原発状態に関する貴重な情報を提供し、水分子の配向を助け、触媒機構およびタンパク質化学3に関する重要な情報を明らかにする。中性子回折は、特に金属中心や感光性の酸化還元剤2を有するタンパク質などのイオン化に敏感な生体試料に特に適した非破壊技術であるという利点を提供する。本稿の主な焦点は、高品質の中性子タンパク質結晶構造を得るためのワークフローの概要を提供することです。中性子散乱のさらなる応用については、関心のある読者をPodjarny et al.4、Blakeley5、Blakeleyらら、O'Dellら3に紹介し、中性子タンパク質回折とアシュカーらの優れた概要を紹介します。
中性子は主に、原子炉源での核分裂または加速器ベースのソースでのスフレ化の2つのプロセスのいずれかを採用した核反応中に生成されます8。原子炉源は 235U同位体の核分裂を採用して連続的な中性子ビームを提供し、スマレーション中性子源はターゲット(例えば水銀などの液体金属)をprotons9で爆撃してパルス中性子ビームを生成する。テネシー州オークリッジにあるオークリッジ国立研究所(ORNL)は、高磁束同位体原子炉(HFIR)の定常中性子源と、スマレーション中性子源(SNS)で60Hzパルス源の両方をホストしています。イマジンビームラインは、HFIRに位置し、生体高分子用に最適化された中性子回折計です(補足図1)10。IMAGINEは、中性子画像プレート検出器を採用し、ユニットセルエッジ<150 Åの単結晶から2.8~4.5Åの狭いバンドパスを使用して、準ラウエのデータを測定します。SNSに位置する高分子中性子回折計(MaNDi)は、球状検出器アレイフレーム(DAF)を搭載した飛行時間(TOF)ラウエ中性子回折計です(補足図2)11。MaNDiは、2.0~6.0 Å12の間で調整可能な2 Å波長帯域幅を採用することにより、ユニットセルエッジが10~300 Åの範囲にある単結晶からのデータを測定します。
中性子の生成過程はエネルギー集約性が高く、放射光源13でのX線ビームフラックスと対比すると、比較的弱い中性子ビームフラックスが生じる。データ収集中に十分な信号対雑音比を確保するためには、適切なサイズと品質14の結晶を成長させる必要があります。通常、ボリューム>0.1 mm3の結晶は、適切な統計15でデータを収集するために必要です。より低い流束に加えて、中性子とサンプル核の間の相互作用の固有の特性を考慮する必要があります16。中性子の散乱長は、同じ元素の同位体では異なり、小さな角度中性子散乱(SANS)で有利に利用され、サンプルの領域をマスクまたはハイライトする特性である-コントラストマッチング17と呼ばれるプロセス。回折実験では、H(-3.741 fm for 1H)の負のコヒーレント中性子散乱長は、炭素(12Cの6.6511fm)、窒素(14Nの場合は9.37 fm)、酸素(14Nのための9.37 fm)を含む他の生物学的に関連する原子の一貫した中性子散乱長さから、中性子散乱密度マップの特徴を取り消す可能性があります(5.803fmOの場合は5.803fmO)。 リン(31Pの場合は5.13fm)および硫黄(32Sの場合は2.804 fm)は、正(表1)12,14である。さらに、H (25.274 fm) の大きな支離滅裂な散乱の長さは、データ収集中に背景を増加させ、データセットの品質を妨げ、データ解像度を損なう7。Hによってもたらされるこれらの制限を回避するには、中性子回折のために、正のコヒーレント中性子散乱長(6.671fm)と離離滅裂散乱長(4.04fm)19を有する同位体重水素とHを交換する必要がある。 これは、H部位20におけるDの完全な組み込みを保証する完全に重い培地で増殖した生物によってタンパク質が発現するプロセスであるパーデレートによって達成することができる。また、交換可能な部位(titraable基)のみでHをDに置換することによってタンパク質を部分的に重水素化することも可能であり、非交換可能な炭素結合部位は水素化21のままである。これは、重水素化母液22中の水素化タンパク質結晶の成長によって達成することができる。しかし、最も一般的には、水素化タンパク質のH/D交換は、H2Oベースのbuffer23における適切に大きな結晶の成長後の蒸気交換によって行われる。このような場合、結晶は水晶キャピラリーに取り付けられ、D20系の母液で気相を平化する。
中性子源の限られた中性子フラックスは、数日から数週間まで、より長いデータ収集時間をもたらす24。ORNLでは、IMAGINEとMaNDiの両方が2-6 Å範囲の狭波長バンドパスを使用してデータ収集25を最適化しています。データは室温または低温で収集することができます。Cryo-dataコレクションはデータ品質を向上させる可能性があり、凍結トラップ触媒中間体の可能性を開くことができます。中性子回折データ収集後、X線データセットは通常、同じ温度または同じ条件下で成長した結晶上の同じ結晶上で収集されます26。同じ温度でのデータ収集により、X線と中性子の両方のデータに対して構造の改良が行われ、水の可視性や位置の変化、または代替立体構造を持つ残留物の占有など、温度誘発の可能性のあるアーティファクトを防ぐことができます。ジョイントX線中性子データの精製は、データ対パラメータ比を増加させ、タンパク質バックボーン座標をX線データに対して改良できる利点を提供し、中性子回折データを使用してH/D原子28の位置を調整します。これは、タンパク質上の非交換可能な部位におけるH原子による密度の取り消しが存在する部分的に重水素化されたサンプルを使用する場合に特に有用である。X線構造の数はタンパク質データバンク(PDB)に堆積する中性子構造の数をはるかに上回っていますが、X線データの改良のために最初に設計されたソフトウェアパッケージは、中性子データだけでなく、3,29,30を包含するように拡張されました。データ収集後、モデルは、phenix.refine、CNSsolve (nCNS) または SHELXL28,31,32,33 などの絞り込みパッケージを使用して改良できます。改良プロセス中に、中性子散乱密度マップを、COOT34を使用して手動フィッティングのために視覚化することができます。構造解に続いて、座標および中性子および/またはX線回折データファイルをPDBに提出し、モデルを検証して堆積させ、公開アクセス18,29,30に利用できるようにする。
タンパク質の構造解析は、多くの手法を用いてその機能とメカニズム35を探る多面的アプローチです。中性子タンパク質結晶学は、X線回折、分光法、核磁気共鳴(NMR)またはマイクロ結晶電子回折(microED)36などの追加研究からの知見を拡大し、補完するための貴重な化学的洞察を提供します。中性子タンパク質回折は、H原子が化学の中心であるため、酵素メカニズムに関する洞察を提供するためにユニークに配置されています。中性子によって誘発される放射線損傷の欠如は、メタロタンパク質37の研究に非常に適したプローブを作る。ここでは、サンプル調製からデータ収集、精製、解析までの中性子タンパク質回折のプロセスの代表的な例を紹介します(図1)。中性子回折実験に十分な大きさの結晶が、金属蛋白質ニューロスポラ・クラッサLPMO9D(NcLPMO9D)の成長を行っている。NcLPMO9Dは、グリコシド結合38,39における酸素原子挿入によるレカルシラントセルロースの分解に関与する銅含有メタロタンパク質である。NcLPMO9D活性部位は、N末端ヒスチジンと第2の保存ヒスチジンで構成される特徴的な「ヒスチジンブレース」内の単核銅中心を含む(補足図3)40。真菌性LPMのN末端はメチル化されるが、移行後の修飾は酵母における組換え発現中には起こらない。NcLPMO9D静止状態では、銅中心はCu2+酸化状態で存在し、Cu1+への単一電子還元によって活性化され、分子酸素が結合し、急速にスーパーオキシド種41,42に還元されることによって活性化される。全体的なNcLPMO9D反応は、ヒドロキシル化多糖生成物を形成するために1つの電子と2つの陽子をさらに添加する必要があります。多糖基質からの水素原子アブストラクション(HAA)を担う活性酸素種の同一性は特定されておらず、構造研究や計算研究の集中が現在進行中である。NcLPMO9D活性部位における酸化還元化学を考えると、放射線損傷の軽減は特に関連する。ここでは、NcLPMO9D結晶上の室温および低温データ収集を図示し、それぞれ46の静止状態および活性化還元型でNcLPMO9D構造を決定する。タンパク質結晶実装、データ収集用ビームライン機器の設定、データと座標ファイルの準備、全原子中性子構造をモデル化するために必要な改良ステップに重点が置かれる。

<table><tbody><tr><td>吸収紙ポイントサイズ#30-#40、長さ60 mm</td><td>DiaDent/DiaVet</td><td>218-292</td><td></td></tr><tr><td>毛細管ワックス</td><td>ハンプトン</td><td>HR4-328</td><td></td></tr><tr><td>CCP4</td><td></td><td>バージョン 7.0.077</td><td></td></tr><tr><td>円錐形遠心分離管 (15 mL)</td><td>Corning</td><td>CLS430790</td><td></td></tr><tr><td>円錐形遠心分離管 (50mL)</td><td>Corning</td><td>CLS430828</td><td></td></tr><tr><td>Coot</td><td></td><td>バージョン0.8.9.2</td><td></td></tr><tr><td>CrystalCap ALS</td><td>ハンプトン</td><td>HR4-779</td><td></td></tr><tr><td>湾曲した先端の鉗子</td><td>Mitegen</td><td>TW-CTF-1</td><td></td></tr><tr><td>塩化重水素溶液、D2O中の35重量%、&ge;99 原子 % D</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>543047</td><td></td></tr><tr><td>酸化重水素 99.9 原子 % D</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>151882</td><td></td></tr><tr><td>Dual Thickness MicroLoops 1000 &micro;m</td><td>Mitegen</td><td>M5-L18SP-1000</td><td></td></tr><tr><td>FiveEasy pH meter F20-Std-Kit</td><td>メトラー・トレド</td><td>30266626</td><td></td></tr><tr><td>フォーム デュワーズ 標準容器 800 ml</td><td>Spearlab</td><td>M-FD-800</td><td></td></tr><tr><td>4 色 取り付け クレイ</td><td>ハンプトン</td><td>HR4-326</td><td></td></tr><tr><td>HEPES、BioUltra、分子生物学用、&ge;99.5% (T)、</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>54457</td><td></td></tr><tr><td>高磁束回転陽極X線回折計、EIGER 4M検出器付き</td><td>リガク、オックスフォードクライオストリーム、デクトリス</td><td>XtaLAB Synergy-R</td><td>ホームソースX線回折計</td></tr><tr><td>磁気ワンドストレート</td><td>Mitegen</td><td>M-R-1013198</td><td></td></tr><tr><td>マイクロローダー、フェムトチップやその他のガラス製マイクロキャピラリーを充填するためのチップ(研究用のみ)、0.5 &ndash;20 &micro;L、100mm、ライトグレー、192個(2ラック&回:96個入り)</td><td>エッペンドルフ</td><td>930001007</td><td></td></tr><tr><td>マイクロチューブ 容量 1.5 mL</td><td>エッペンドルフ</td><td>Z606340</td><td></td></tr><tr><td>透明蓋付きシャーレ 直径 100 mm</td><td>フィッシャーブランド</td><td>FB0875713</td><td></td></tr><tr><td>フェニックス</td><td></td><td>バージョン 1.14-3260</td><td></td></tr><tr><td>ピントング 18 mm</td><td>Mitegen</td><td>M-R-1013196</td><td></td></tr><tr><td>ピペット容量 0.1-2.5 &mu;L</td><td>Eppendorf Research</td><td>Z683779</td><td></td></tr><tr><td>ピペット Volume 100-1000 &mu;L</td><td>Eppendorf Research</td><td>Z683825</td><td></td></tr><tr><td>ピペット Volume 10-100 &mu;L</td><td>Eppendorf Research</td><td>Z683809</td><td></td></tr><tr><td>ピペット Volume 20-200 &mu;L</td><td>Eppendorf Research</td><td>Z683817</td><td></td></tr><tr><td>ポリ(エチレングリコール) BioXtra、平均分子量 3,350、粉末</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>P4338</td><td></td></tr><tr><td>石英キャピラリー、内径 1.00 mm、長さ 80 mm</td><td>ハンプトン</td><td>HR6-146</td><td>薄肉キャピラリー</td></tr><tr><td>研究実体顕微鏡システム</td><td>オリンパス</td><td>SZX16</td><td></td></tr><tr><td>再利用可能な B3 (SSRL/SAM スタイル) ゴニオメーターベース</td><td>Mitegen</td><td>GB-B3-R</td><td></td></tr><tr><td>丸型 - ミニチュア中空ガラス管 (VitroTubes) 透明溶融石英 / 内径 1.00 mm、長さ 100 mm</td><td>VitroCom</td><td>CV1012</td><td>カバー付き厚肉キャピラリー</td></tr><tr><td>サンドイッチボックス</td><td>ハンプトン</td><td>HR3-132</td><td></td></tr><tr><td>シリコン処理された 9 ウェルガラスプレート</td><td>ハンプトン</td><td>HR3-134</td><td></td></tr><tr><td>シッティングドロップ結晶化プレート (24 ビッグウェル)</td><td>Mitegen</td><td>XQ-P-24S-A</td><td></td></tr><tr><td>重水素ナトリウム溶液、40 wt. % D2O、99 原子 % D</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>176788</td><td></td></tr><tr><td>厚シリコン処理サークルカバースライド (22 mm x 0.96 mm)</td><td>ハンプトン</td><td>HR3-247</td><td></td></tr><tr><td>ユニバーサルピペットチップ、0.1 - 10 & マイクロ;L</td><td>VWR</td><td>76322-528</td><td></td></tr><tr><td>ユニバーサルピペットチップ、1 - 100 &micro;L</td><td>VWR</td><td>76322-136</td><td></td></tr><tr><td>ユニバーサルピペットチップ、100 - 1000 &micro;L</td><td>VWR</td><td>76322-154</td><td></td></tr><tr><td>ユニバーサルピペットチップ、20 - 200 &micro;L</td><td>VWR</td><td>76322-150</td><td></td></tr><tr><td>ユニバーサルピペットチップ、1 - 20 & マイクロ;L</td><td>VWR</td><td>76322-134</td><td></td></tr><tr><td>ワックスペン</td><td>ハンプトン</td><td>HR4-342</td><td></td></tr></tbody></table>

中性子結晶学データの収集とタンパク質構造における水素原子のモデリング処理

Neutron Crystallography Data Collection and Processing for Modelling Hydrogen Atoms in Protein Structures

中性子晶出学は、生体高分子内の水素原子位置を決定し、放射線損傷を誘発しない一方で、プロトン化と水和状態に関する重要な情報を生み出す構造技術です。対照的に、X線回折は光原子の位置に関する限られた情報しか提供せず、X線ビームは感光性補因子および金属中心の放射線損傷を急速に誘発する。ここでは、オークリッジ国立研究所(ORNL)のIMAGINEとMaNDiビームラインに採用され、適当なサイズ(>0.1mm3)のタンパク質結晶が成長した後に中性子回折構造を得るためのワークフローを紹介します。中性子回折データ収集のための石英毛細血管中の水素化タンパク質結晶の取り付けについて実証する。また、重水素を交換可能な場所で水素原子の交換を確実にするために、D2O含有バッファーを有するマウントされた結晶の蒸気交換プロセスも提示される。重水素の組み込みは、水素原子の支離滅裂な散乱に起因する背景を減少させ、負のコヒーレント散乱長に起因する密度の取り消しを防ぎます。サンプルアライメントおよび室温データ収集戦略は、高磁束同位体反応器(HFIR)でのIMAGINEでの準ラウデータ収集を使用して示されています。さらに、水晶体の取り付けと液体窒素中の急速凍結、凍結データ収集用の不安定反応中間体をトラップする場合は、SNS(スマレーション中性子源)のMaNDi飛行時間計で実証されています。モデル座標と回折データファイルの作成と中性子散乱長密度(SLD)マップの可視化も行います。対象となるタンパク質の全原子構造を得るために、中性子データのみのデータや共同X線/中性子データに対する構造の微細化が最終的に議論される。中性子構造を決定するプロセスは、グリコシド結合の酸化的切断を介した再焼結合性多糖類の分解に関与する銅含有メタロタンパク質である、単糖多糖類の単糖類の結晶を用いて実証される。

中性子タンパク質結晶学は、水素原子の局在化を可能にする構造技術であり、タンパク質機能の重要な機械的な詳細を提供します。ここでは、タンパク質結晶の実装、中性子回折データの収集、構造の微細化、中性子散乱長密度マップの解析のワークフローを紹介します。

Neutron crystallography is a structural technique that allows determination of hydrogen atom positions within biological macromolecules, yielding ...

中性子結晶構造解析は、生体高分子中の水素原子の位置を決定するための構造技術です。中性子構造は、プロトン化状態や水分子の配向を明らかにし、反応機構や結合相互作用を解明します。X線回折とは対照的に、中性子回折には非破壊的な技術であるという利点があります。感光基や金属センサーを持つタンパク質は、放射線障害を受けることなく研究することができます。中性子タンパク質結晶構造解析を行うには、大きな壊れやすいタンパク質結晶を石英キャピラリーに取り付けて室温でデータを収集します。水晶キャピラリーの取り付けは日常的に行われていないため、この技術のデモンストレーションは有益です。結晶回収には、タンパク質結晶が入った密封されたサンドイッチボックスを9ウェルの大容量シリコン化ガラスプレートに開け、マイクロピペットを使用して結晶化リザーバー溶液から10〜20マイクロリットルをスライドガラスに移します。顕微鏡で結晶を評価します。適切なサイズのマイクロループを使用して結晶を採取し、その結晶をリザーバー溶液の液滴に入れます。水晶に取り付けるには、直径2ミリメートル、長さ50ミリメートルの石英キャピラリーを取り、ピペットでリザーバーバッファーを吸引し、キャピラリーの一端をリザーバーバッファーで満たします。取り付けループを使用して、水晶を水晶キャピラリー内のリザーバーバッファーにそっと配置します。チューブをタップしてリザーバーバッファーとクリスタルをキャピラリーの下に移動させ、長く細いピペットを使用してクリスタルの周囲から溶液を吸引します。薄い紙の芯を使用して結晶を慎重に乾燥させ、毛細管壁を乾燥させ、毛細血管の端に20〜50マイクロリットルの重水素化緩衝液を加えます。ヒートワンドを使用して蜜蝋の一部を溶かし、気密シールが形成されるまで、溶けた蜜蝋に毛細管をそっと挿入します。結晶実装後2日目、6日目、および10日目に重水素化緩衝液を20〜50マイクロリットルの新鮮な重水素化緩衝液と交換し、示されているように各蒸気交換後に新鮮な溶融蜜蝋でキャピラリーを再シールします。少なくとも2週間の蒸気交換後、パテを使用して、装置サンプルステージに固定されたIMAGINE中性子回折計ゴニオメーターサンプルスティックに石英キャピラリーを固定し、サンプルとスティックを中性子ビームと検出器領域に下げます。ビームライン制御用コンピュータでデータ取得プログラムを開き、データ収集戦略の設定や装置名、画像名などの実験パラメータを入力するための設定タブをクリックします。[収集] タブをクリックし、露出時間や収集するフレーム数などのデータ収集パラメーターを入力します。光学グラフィック ユーザー インターフェイス内で、ラムダの最小値として 2.78 をクリックし、ラムダの最大値として 4.5 をクリックして、データ コレクションの準範囲を設定します。「スキャンの開始」をクリックして、データ収集を開始します。中性子データの収集後、同じ結晶上の同じ温度に対応するX線データセットを収集します。クライオデータ収集の前に、サンドイッチボックスからリザーバー溶液を取り出し、サンドイッチボックスに重水素化リザーバー緩衝液を充填し、1週間平衡化して3回繰り返す。さらに3ラウンドのリザーバー溶液交換を行った後、マイクロループで結晶を回収し、結晶を凍結保護剤溶液に2時間浸してから、クライオクリスタルマウントに取り付けられたマイクロループに結晶をマウントします。マウントされたクリスタルとクライオマウントを液体窒素に沈めます。結晶が凍結したら、クライオストリームを取り付けた高分子中性子回折装置のサンプルステージに結晶を取り付けます。水晶振動子がデータ収集用に取り付けられ、中央に配置されていることを確認し、提案情報を入力し、フォルダアイコンをクリックしてデータ収集戦略テーブルをロードし、[送信]をクリックしてデータ収集を開始します。回折した中性子は、MaNDi飛行時間型検出器によって検出されるため、リアルタイムで見えるようになります。X線と中性子のジョイントデータリファインメントを行うには、まずCCP4を開き、変換を選択して拡張MTZプログラムを変更し、中性子データのRフリーデータフラグとX線データフラグを一致させます。中性子データ反射ファイルをMTZ形式でインポートします。[別のMTZファイルから無料のRデータをインポート]を選択し、X線MTZファイルをインポートします。新しく一致したMTZファイルに名前を付けて、「実行」をクリックします。次に、Phoenixソフトウェアパッケージを開き、絞り込みの下で[準備完了セット]をクリックします。タンパク質座標ファイルをアップロードし、水素が存在しない場合はモデルに追加することを選択し、交換可能な部位ではHD、それ以外の場所ではドロップダウンメニューからHを選択します。「溶媒分子に重水素を追加」を選択し、「実行」をクリックして開始します。ストラクチャのリファインメントについては、「リファインメント」タブでフェニックスを開きます。Refine プログラムを使用して、X 線データと中性子データの両方を使用してリファインメントを設定します。[構成]タブで、解析されたX線構造からPDBファイルを入力します。neutronデータからMTZファイルをアップロードします。MTZファイルデータをneutron R freeの中性子データとして割り当てます。X線データからMTZファイルをアップロードし、X線データおよびX線Rフリーとして割り当てます。[リファイン設定] で、標準のリファインメント ストラテジが選択されていることを確認し、サイクル数を 5 に増やします。すべてのパラメーター、詳細、水素を選択します。水素精製モデルを個別モデルに変更し、ADPに乗った力をオフにしてから、原子力を検索します。X-HDからの核距離を使用するを選択します。「実行」をクリックして、絞り込みを開始します。フェニックスでモデルを構築するには、クートで開くをクリックします。Cootで、X線電子密度と中性子散乱長密度マップを可視化します。ディスプレイ マネージャを選択し、neutron 2FOFC 中性子散乱長密度マップを削除します。「MTZを開く」を選択し、「MTZを開く」を選択して、中性子データMTZファイルを開きます。振幅と位相の両方のオプションで、ドロップダウンメニューからno_fill_neutronデータを選択して、未充填の中性子散乱長密度マップを開きます。残渣の目視検査を実行して、モデルがデータに適合するかどうかを判断し、水素-重水素交換可能な場所の差密度マップピークを分析して、正しい配向と占有率を決定します。中性子SLDマップと水素結合相互作用に従って、水分子の向きを変えます。中性子SLDマップに従って、タンパク質残基水素-重水素交換可能部位のプロトン化状態と配向を調整します。さらにインタラクティブなモデルの構築と改良を行い、完全な構造を取得します。水性緩衝液中で成長した水素化タンパク質結晶は、約1, 000 x 900ミクロンの大きさです。結晶は、中性子回折データ収集の3週間前に、酸化重水素ベースのバッファーとの蒸気交換のために水晶キャピラリーに取り付けることができます。中性子回折データは2.30オングストローム分解能で数日間収集され、X線回折データセットは同じ結晶で収集されました。FOからFC中性子散乱を引いた長さの密度密度マップのピークは、パラギンなどの残基の配向に関する貴重な情報を提供し、FOからFC中性子散乱長を引いた密度の正のピークも、ヒスチジンなどの滴定可能な基を持つ残基のプロトン化状態を決定する上で非常に有益です。水分子の電子散乱長密度マップと中性子散乱長密度マップのマップオーバーレイは、水素結合の相互作用をX線データから推測できる一方で、中性子はこれらの水素結合の位置について明確な情報を提供することを示しています。中性子散乱長密度省略マップは、水素-重水素側鎖官能基配向を決定するために使用できます。交換不可能な水素原子が炭素に結合している中性子散乱長密度マップは、密度キャンセルのために電子密度マップと比較すると不完全であるように見えます。したがって、X線データと中性子データの両方を使用してサンプルの共同微細化を行い、X線データを使用してタンパク質骨格の位置を決定することが望ましいです。中性子タンパク質の結晶構造解析には、大きな結晶が必要です。水晶の取り扱いと取り付けには、水晶を損傷して簡単に割れ、データ品質を損なう可能性のある水晶に損傷を与えないように注意する必要があります。中性子タンパク質結晶構造解析は、タンパク質反応メカニズムに関する洞察を提供し、反応論、突然変異誘発、または分光法によってその役割をさらに調査できる触媒的に関連性のある残基または水分子を明らかにする可能性があります。

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Research

JoVE Journal

Chemistry

化学

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中性子結晶学データの収集とタンパク質構造における水素原子のモデリング処理

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