今年のノーベル生理学・医学賞と化学賞は、概日時計の研究とクライオ電子顕微鏡 (cryo-EM) の進歩に取り組んでいる研究者に贈られました。ほとんどコメントを集めていないのは、これらの一見異なる分野が交差しているということです。Cryo-EM は、概日時計の原因となるタンパク質の研究を進めるための最も重要なツールの 1 つになりました。
概日時計を調査している研究者は、数十年前に、太陽と同期して細胞内でレベルが上昇および下降するタンパク質を発見しました。このタンパク質は、ゲノムの広大な部分の発現を調節する他のタンパク質と複合体を形成することがわかっています。このような複合体は、ショウジョウバエや人間と同じくらい多様な生物の体内のほぼすべての細胞に存在します。起源はまったく異なりますが、シアノバクテリアには循環タンパク質のグループさえあります.これらのタンパク質時計は、生物が適切な時間に食べ、適切な時間に細胞に分裂するように指示し、そしてもちろん、適切な時間に睡眠するように、生理学を昼夜に合わせて維持します.研究者の発見は、地球上の生命の中心にあるリズムを明らかにする分野を活性化するのに役立ちました。
一方、化学研究者は、1931 年に電子顕微鏡が発明されたとき、ほとんどの人が信じていた限界をはるかに超えて、可視性の限界を押し上げることに貢献しました。電子顕微鏡法では、組織の薄片を金属でコーティングし、電子ビームでスキャンします。跳ね返った電子は、感度の高い検出器によって検出されます。次に研究者は、これらの処理された信号から細胞の内部の画像を生成します。従来の形式の電子顕微鏡を使用して、細胞の機構 (個々のミトコンドリアの波状の内部、リボソームの黒い斑点) に焦点が当てられます。
その後、他のイノベーションの中でも、顕微鏡研究者は、サンプルを瞬間凍結することで、これまで以上に高解像度のイメージングが可能になり、別々のタンパク質の画像をコンピューターで組み合わせて構造モデルを開発できることに気付きました。その結果、個々のタンパク質を分解できるようになりました。場合によっては、原子に至るまで分解することもできます。
ノーベル化学賞の発表中に、当局が技術の力を説明するために画面に表示したクライオ EM 画像の 1 つは、シアノ バクテリアの概日時計のものでした。オランダのユトレヒト大学の構造生物学者である Albert Heck は、最近 Science で構造を発表しました。 彼の同僚と一緒に、ブドウの木を通してその栄光の瞬間について聞いて驚き、喜んでいました. 「私たちにとって、それはまったくの驚きでした」と彼は言いました。しかし、概日時計 (空間配置がまだ不明なタンパク質のクラスター) の構造を理解することは、まさにクライオ EM が適していると彼は指摘しました。
タンパク質の 3 次元形状を推定するための他の手法には、時計複合体を不適格とする厳しい要件があります。たとえば、関心のあるタンパク質から放射線を跳ね返す結晶学では、タンパク質が結晶化する必要があります。タンパク質分子の数千のコピーを収集してサンプルに圧縮できたとしても、多くのタンパク質はきちんとした結晶構造に整列しません.もう 1 つの構造生物学ツールである核磁気共鳴画像法は、非常に小さなタンパク質またはタンパク質の一部のみを見るのに適しています。クライオ EM では、それほど多くの材料も結晶も必要なく、サイズも問題になりません。 「クライオ EM にはサイズが大きいほど理想的であり、大きいほど良いと言えます」と Heck 氏は述べています。
さらに、これらの他の技術は、生細胞内の位置と配置の文脈からタンパク質を引き出します。その制限は、一般に、敏感で変化しやすいタンパク質について最も知りたいことを学ぶ能力を低下させます。Heck の結果は、この制約が、クライオ EM を使用しない時計複合体のイメージング研究にとって大きな障害になることを示しています。
Heck と彼の同僚がクライオ EM を使用してシアノ バクテリアの時計を作成した画像は、3 つのタンパク質が互いに微妙に把握していることを示しています。それらは時間的に凍結されており、研究者が時計を止めたときの段階を表しています。しかし、チームがまだ把握していない構成が他にもたくさんあると Heck 氏は述べています。これが概日時計の美しさであり、写真を撮る上での難しさの 1 つです。時計は時間とともに変化します。 3 つのシアノバクテリア時計タンパク質は、時間に応じて異なる比率で結合します。場合によっては、1 つのタンパク質が 4 つ、別のタンパク質が 6 つ、3 つ目のタンパク質が 10 つ、またはその他の多数の順列のいずれかです。これにより、クライオ EM プロセスが複雑になりました。チームは、明確な画像を取得するためにサンプルを順列の 1 つだけに慎重に制限する必要があったからです。しかし、彼らはなんとかやり遂げました。
はるかに多くのタンパク質を含む哺乳類の時計のこのような画像を生成することは、非常に難しい可能性がある、と Heck は述べた。シアノ バクテリアの単純な時計を手に入れるのに 6 年の労力がかかりました。
それでも9月、ハーバード大学医学部の神経生物学者チャールズ・ワイツと彼の同僚は、哺乳類の時計複合体に電子顕微鏡を使用した研究を発表した.その複合体の表面の興味をそそる画像が明らかになりましたが、それはクライオ EM が最終的に達成できるものの影にすぎませんでした。 Weitz が電子メールで説明したように、クライオ EM については、「成功した結果は、[粒子の] より高い解像度と内部構造の両方を提供するでしょう...外部輪郭だけではなく.」電子顕微鏡法がどれだけ進歩したかを考えると、これはかつて考えられていたほど遠くない研究目標です。
