ＸＦＥＬコヒーレント回折イメージングによる細胞周期依存的ＤＮＡ核内分布の解明

通过 XFEL 相干衍射成像阐明细胞周期依赖性 DNA 核分布

• 批准号: 15J01707
• 负责人: 関口 優希
• 金额: $ 1.09万
• 依托单位: Keio University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2015
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2015-04-24 至 2017-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-15J01707/
• 关键词: コヒーレントX線回折イメージング; 位相回復; 細胞核; 構造解析; コヒーレントＸ線回折イメージング

本研究は、X線自由電子レーザーを利用したコヒーレント回折イメージングにより、1マイクロメートル程度の出芽酵母細胞核を「丸ごと」、「ありのまま」の姿で三次元的に可視化することを目的としている。昨年度得られた三次元構造は、有効分解能が約170 nmと低かった。これを高分解能化すべく、３点の高度化を行った。１、「阿修羅」の自動化：昨年度開発を行った、回折パターンから高信頼度で位相回復計算を行うソフトウェア「阿修羅」であるが、一部でユーザーの入力が不可欠な部分があり、自動化が困難となっていた。このアルゴリズムを自動化し、計算資源さえあればほぼ自動で膨大な投影像回復を行うことができるようにした。２、粒子投影像構造精密化手法の開発：二次元投影像が十分高分解能であることが、投影像を組み合わせて高分解能三次元再構成の大前提である。そこで、低分解能の投影像を、焼きなまし法で高分解能化する手法を開発した。３、回折パターンのピックアップ手法の開発：一度の実験で150万程度の十分な強度を持った回折パターンが得られるが、真に良好なデータをここから選び出すには、目で1つ1つ見るほかなく、解析上の律速となっていた。そこで、機械学習を利用し、予め人が目で見た選んだものと似たものを自動で取得することを可能にした。これらの高度化を行った後、出芽酵母細胞核について測定を重ね、前年度の10倍以上の投影像を得た後、高分解能化を行った。更に、電子顕微鏡の単粒子解析で行われている三次元クラス分け手法を用いた。これらの試行錯誤を経た後、得られた三次元構造の最終有効分解能は150 nmであった。10倍に投影像を増やしても大きく改善しない所を見ると、各個体の構造が150 nm分解能程度でしか共通していない可能性が考えられる。構造の多様性をこのような大きさの生体粒子で検討することが出来たのは、本研究が初めてだろう。

This study は, X-ray free electrons レ ー ザ ー を using し た コ ヒ ー レ ン ト inflexion イ メ ー ジ ン グ に よ り, 1 マ イ ク ロ メ ー ト ル degree の budding yeast cell nucleus を "pill ご と", "あ り の ま ま" の pose で す に of three dimensional visualization る こ と を purpose と し て い る. Last year, the obtained られた three-dimensional structure られた and the effective decomposition energy が were approximately 170 nmと low った. <s:1> れを high decomposition energy transformation すべく, 3-point <s:1> high-level transformation を row った. 1, "asura" の automation: yesterday's annual open 発 を line っ た, inflexion パ タ ー ン か ら high 頼 で phase response calculation line を う ソ フ ト ウ ェ ア "asura" で あ る が, a で ユ ー ザ ー の が into force not owe な part が あ り, automation が difficult と な っ て い た. こ の ア ル ゴ リ ズ ム を automation し, computing resources さ え あ れ ば ほ ぼ automatic で swelled な projection line like reply を う こ と が で き る よ う に し た. 2. The development of particle projection image construction precision techniques: the two-dimensional projection image が has a very high decomposition energy である とが とが, the projection image を combines み with わせて a high decomposition energy three-dimensional image, and then forms the <s:1> major premise である. そ こ で, lower decomposition can like を の projection, 焼 き な ま し method で high decomposition can change す る gimmick を open 発 し た. 3, inflexion パ タ ー ン の ピ ッ ク ア ッ プ gimmick の open 発 : once の be 験 で intensity of 1.5 million degree の is very な を hold っ た inflexion パ タ ー ン が have ら れ る が, really good に な デ ー タ を こ こ か ら び from す に は, で つ 1 つ see る ほ か な く, の law on parsing speed と な っ て い た. そ こ で, mechanical learning using を し, to め が で see た choose ん だ も の と like た も の を で automatically obtain す る こ と を may に し た. Line こ れ ら の を empirically っ た, budding yeast cell nucleus after に つ い て determination を ね, before the annual の after more than 10 times as た を の projection line, high decomposition can を っ た. More に, electronic 顕 micromirror の 単 particle analytical line で わ れ て い る three-d ク ラ け gimmick を ス points with い た. After a trial error of を and た, it is obtained that the られた three-dimensional structure <s:1> has a final effective decomposition energy of れら 150 nmであった. 10 times に projection as を raised や し て も big き く improve し な い を by see る と, each individual の structure が 150 nm can decompose degree で し か common し て い な い possibility が exam え ら れ る. Tectonic の multiple others を こ の よ う な big き さ の sick particles で す 検 please る こ と が out た の は, at the beginning of this study が め て だ ろ う.

项目成果

コヒーレントX線回折イメージングで解き明かされ始めた細胞の姿

通过相干 X 射线衍射成像开始阐明细胞的形状

• 发表时间: 2016
• 作者: 中迫雅由;関口優希;小林周;苙口友隆;吉留崇;山本雅貴
• 通讯作者: 山本雅貴

Reconstruction of three-dimensional structures of a protein with software ENMA and EMC algorithm: A simulation for XFEL-CXDI experiment

用软件ENMA和EMC算法重建蛋白质三维结构：XFEL-CXDI实验的模拟

• 发表时间: 2016
• 作者: Takashi Yoshidome;Yuki Sekiguchi;Tomotaka Oroguchi;Masayoshi Nakasako;Mitsunori Ikeguchi
• 通讯作者: Mitsunori Ikeguchi

Cryogenic coherent X-ray diffraction imaging of cellular organelle by using XFEL

使用 XFEL 对细胞器进行低温相干 X 射线衍射成像

• 发表时间: 2015
• 作者: 関口優希;小林周;苙口友隆;中迫雅由;高山裕貴;山本雅貴;乾弥生;松永幸大;市川雄一;胡桃坂仁志;清水光弘
• 通讯作者: 清水光弘

XFEL コヒーレント回折イメージング実験におけるデータ解析の高度化と酵母細胞核の三次元構造解析への適用

XFEL 相干衍射成像实验数据分析的复杂性及其在酵母细胞核三维结构分析中的应用

• 发表时间: 2017
• 作者: 関口優希;小林周;岡島公司;苙口友隆;中迫雅由;山本雅貴
• 通讯作者: 山本雅貴

XFELコヒーレント低温X線回折イメージングによる磁性細菌の構造解析

使用 XFEL 相干低温 X 射线衍射成像分析磁性细菌的结构

• 发表时间: 2017
• 作者: 山本隆寛;関口優希;小林周;岡島公司;苙口友隆;中迫雅由;山本雅貴;加藤貴之
• 通讯作者: 加藤貴之