分子置換

分子置換（Molecular Replacement）

分子置換（ぶんしちかん、英: Molecular Replacement、略称: MR）は、X線結晶構造解析での位相問題を解決するための技術です。この手法は、既に解明されているタンパク質の構造が、未知の構造に類似していることを前提としています。これにより、相同性を持つタンパク質や、同じタンパク質の低分解能NMR構造を使用して位相を推定します。

X線結晶構造解析の基本

結晶学者が最初に目指すのは、電子密度マップの取得です。このマップは、結晶内の原子の配置を示す重要な情報です。電子密度と回折波の関係は、特定の数式で表されますが、一般的に我々が測定するのは強度であり、位相に関する情報は失われます。このため、位相なしではX線結晶構造解析のためのデータを正しく解釈することができません。ここで分子置換が役立ちます。

パターソンマップに基づく分子置換の原理

分子置換の基本は、回折データからパターソンマップを生成することです。このマップは、原子間の距離を表すベクトル情報を含んでおり、それが他の原子に関連するピークを示します。この時、0,0,0の位置には大きなピークが現れ、これは原子自身に関連します。高解像度の情報を得るにはノイズが多いですが、既知の構造から得たデータと未知のデータを比較すると、2つのパターソンマップが密接に関連していることがわかります。この関連性を利用して、未知の構造に対する向きや位置を推定することが可能です。

MRの探索手法

計算能力が限られていた歴史的背景から、分子置換の探索は通常、回転と並進の2つの段階に分けて行われます。

回転関数

回転関数の段階では、未知のパターソンマップを、既知のホモログ構造から得た異なる方向のパターソンマップと比較します。過去にはR因子や相関係数がスコアとして使われていましたが、最近は最尤法に基づくアルゴリズムが用いられるようになっています。適切な配向にある場合、最も高い相関関係が得られます。

並進関数

並進関数では、配向されたモデルを正しい座標に配置することで、未知のマップと比較可能にします。このプロセスは計算負荷が高いため、効率的な並進機能が一般的に利用されます。相関の高い位置は直交座標系で表示され、次の解析に用いられます。

De novo予測構造の分子置換への応用

最近のDe novoタンパク質構造予測技術の進展により、MRに関連する様々なプロトコルが登場しています。MR-Rosetta、QUARK、AWSEM-Suite、I-TASSER-MRなどは、分子置換による位相問題を解決するための有用なデータを多く生成できるようになりました。

次のステップ

正確に方向づけられた末に、並進された位相モデルが生成されます。このモデルを元に、未知の構造の電子密度マップを作成し、さらに原子モデルを構築、改良することが期待されます。

参考文献・リンク

• - [AlphaFold]]
• - Phaser - 分子置換プログラムの一つ
• - Molrep - CCP4の分子置換パッケージ
• - [Phaser article at PDBe - このトピックについての公共の情報源です。

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