中性子と放射光の相補的な利用による創薬標的タンパク質の立体構造解析

Collaborative use of neutron and X-ray for determination of drug target proteins

黒木 良太; 玉田 太郎; 栗原 和男; 大原 高志   ; 安達 基泰

Kuroki, Ryota; Tamada, Taro; Kurihara, Kazuo; Ohara, Takashi; Adachi, Motoyasu

タンパク質分子中の正確な原子位置は、結晶構造解析によって得ることができる。高分解能X線構造解析は、タンパク質分子を構成する原子の大部分の原子位置情報を与えるが、水素の情報を得ることは難しい。中性子回折は、この水素原子の位置情報をX線回折より決定された構造情報に加えることが可能である。ここでは、X線と中性子回折の両方を用いた結晶構造解析から最近得られた、創薬標的タンパク質であるブタ膵臓エラスターゼとヒト免疫不全ウイルス(HIV)1型プロテアーゼに関する研究成果を示す。膵臓エラスターゼでは、その阻害剤との複合体による同一結晶から、X線回折データ(1.2分解能)と中性子回折データ(1.65)の両データを取得し全原子構造を決定した。HIVプロテアーゼにおいても、その阻害剤との複合体結晶から得たX線回折データ(1.4)と中性子回折データ(1.9)を用いて構造解析を行った。両試料に対しては、さらに別途、超高分解能X線回折データ(それぞれ0.94, 0.93)も取得し上述の構造と比較した。以上の構造解析結果から、両酵素の触媒メカニズムの解明において議論となっている活性残基における水素原子位置及び解離状態を明らかにした。

Crystallography enables us to obtain accurate atomic positions within proteins. High resolution X-ray crystallography provides information for most of the atoms comprising a protein, with the exception of hydrogens. Neutron diffraction data can provide information of the location of hydrogen atoms to the structural information determined by X-ray crystallography. Here, we show the recent result of the structural determination of drug-target proteins, porcine pancreatic elastase and human immuno-deficiency virus type-1 protease by both X-ray and neutron diffraction. The structure of porcine pancreatic elastase with its potent inhibitor was determined at room temperature to 1.2 resolution by X-ray diffraction and 1.65 resolution by neutron diffraction. The structure of HIV-PR with its potent inhibitor was also determined to 1.4 resolution by X-ray diffraction and 1.9 resolution by neutron diffraction. Ultra-high resolution structures of both proteins (0.94 and 0.93 , respectively) were also determined by X-ray diffraction at 100 K. The ionization state and the location of hydrogen atoms of the catalytic residue in these enzymes were determined by neutron diffraction. Furthermore, collaborative use of both X-ray and neutron to identify the location of ambiguous hydrogen atoms will be shown.