タイトル

Size: px

Start display at page:

Download "タイトル"

あつとしわたぬき
5 years ago
Views:

1 複雑な構造の見方 PDBj 講習会鈴木博文 PDBj / 大阪大学蛋白質研究所 1

2 概要万見 (Yorodumi) と EM Navigator というウェブサイトの紹介これらのウェブサイトを使って生体分子組織の 3 次元構造を眺めることを体験想定する聴衆 : 生体分子構造研究の経験がない少ないユーザー時間の都合で講習内容を一部省略する可能性がありますご了承ください 2

3 実習 1: タミフルの働きを見てみる ( 万見を使ってみる ) 3

4 タミフルについて知りたくなったシナリオ : インフルエンザ治療薬タミフルについて知りたくなった Google でタミフルを検索 Wikipedia のオセルタミビルがヒット以下の情報を得られる - タミフルは商品名で有効成分名はオセルタミビル - ノイラミニダーゼという蛋白質を阻害する PDBj のページ ( でオセルタミビルを検索クリックすると日本語になるオセルタミビルと入力 4

5 ノイラミニダーゼとオセルタミビルデータの概要 (A 型インフルエンザウイルス由来のノイラミニダーゼとオセルタミビル ) クリックすると日本語になる検索結果万見というページを開く 5

6 万見で見るノイラミニダーゼマウス操作で自由な方向に向けられるこのページはいったい何? 右上のヘルプをクリック万見は生体分子の 3 次元構造を気軽に眺めて見て動かして回して学んで楽しむためのウェブページです 6

7 オセルタミビルはどこ? 右上の構成要素ボタンをクリックすると構成要素パネルが現れる G39 というボタンを押すと左のパネルの中でオセルタミビルが光る 7

8 蛋白質は集まって働く PDB に登録されているのは非対称単位という単位構造実際に働くときの生物学的単位とは違う場合が多い右上のデータボタンをクリックするとデータパネルが現れる生物学的単位の 1 というボタンを押すと生物学的単位が見られる 8

9 表示スタイルを変えてみる標準ではリボンモデル ( カートゥーンリボンモデル ) という模式的なモデルで表示される右上のスタイルボタンをクリックするとスタイルパネルが現れるボタンを押すとそれぞれの表示スタイルに切り替わる 9

10 解説 1: 万見とは? 10

11 万見ってなに? 3 次元構造を見ることを主題としたウェブサイト複雑な構造やそのデータの意味を簡単な操作でわかりやすく見たり知ったりできるページを目指した PDB と EMDB のほとんどの構造を見られる 11

12 EMDB は PDB とは別のデータベースデータベース名データ特徴 PDB EMDB 種々の手法 ( 主に X 線結晶学 ) による原子モデル電子顕微鏡による 3 次元マップ原子レベルの分解能部分構造が多い低分解能なデータが多い複雑な分子大きな分子などの全体構造など万見は両方のデータを見ることができる 12

13 万見がないとき関連データベース PDB ユーザーの作業 : データベースへのアクセスダウンロード構造ビューアへの入力操作 EMDB ユーザー構造ビューア 13

14 万見があるとき関連データベースユーザーの作業 : 万見へのアクセスと操作 PDB 万見 EMDB ユーザー構造ビューア Jmol/jV 14

15 万見へのアクセス Yorodumi か万見を検索 c あるいは PDBj のトップページの左メニューのリンクから URL 15

16 実習 2: タミフルの結合部位を見てみる ( より高度な利用 ) 16

17 準備手順 - 現在のページを再読込 (Windows なら F5 キー ) ( 別のデータを開いていたら 3cl0 を開き直す ) 表示が初期状態に戻る - 左上の万見ロゴの右の設定ボタンを押し多機能モードにチェックパネルの種類やボタンなどの数が増える ( 設定はブラウザに保存される ) - ビューアの表示が遅い場合は表示パネルビューア行の高画質 ( 低速 ) のチェックを外す 17

18 結合部位を見る手順 - 機能部位パネル 2 行目 (G39 ) の部位ボタンを押すオセルタミビルの結合部位が選択される - スタイルパネルチェーン行カートゥーンと B&S ボタンを押す ( カートゥーンボタンにマウスを会わせると出てくるボタン ) 結合部位の側鎖が表示される - 表示パネル中心行選択したものボタンを押す結合部位が中心に移動する - 表示パネルのズームスライダーと断面スライダーを調節し結合部位がよく見えるようにする 18

19 オセルタミビル結合部位その他の操作 - クリックするとコマンドパネルに原子名が表示される - クリックした要素に該当する構成要素パネルの選択ボタンの色が変わる - ダブルクリックで任意の原子間の距離を測定 - アミノ酸配列が表示されているボックスで文字列を選択すると該当する部分が選択状態になる 19

20 ノイラミニダーゼについて詳しくは 20

21 解説 2: 非対称単位と生物学的単位 21

非対称単位とは? PDB に登録されているデータは非対称単位 (Asymmetric unit) という単位の構造データ非対称単位単位格子結晶全体 http://www.pdb.

22 非対称単位とは? PDB に登録されているデータは非対称単位 (Asymmetric unit) という単位の構造データ非対称単位単位格子結晶全体 Structures/bioassembly_tutorial.html 22

23 非対称単位は生物学的じゃない? 非対称単位生物学的単位 ( 生物学的集合体 ) PDB-3ixk 3mer/1mer PDB-1oel 7mer/14mer PDB-2xea らせん対称 PDB-1thd 正二十面体対称 23

24 実習 3: 生物学的集合体を見てみる 24

25 生物学的集合体を見てみる手順 - 万見で PDB-3ixk を開く開くパネル ID を指定行の入力ボックスに 3ixk と入力し Enter キーを押す Beta-secretase 1 の構造が表示される - 構成要素パネル L 型ポリペプチドを確認同じポリペプチド 3 本からなっていることが分かる - データパネル集合体の各ボタンを押してみる表示される構造を確認 ( クリックすると該当する構成要素のボタンの色が変化する ) - 同様のことを 3k0g で試してみる 25

26 3k0g の生物学的集合体登録構造 ( 非対称単位 ) 単位格子生物学的単位 #1 26

27 実習 4: 複数モデルのデータを見てみる 27

28 NMR アンサンブル構造を見てみる手順 - 万見で 2kxl を開く Cyclic nucleotide-gated potassium の構造が表示される - 複数 (15 個 ) のモデルが重なって表示されていることを確認解析手法 ( 主に NMR) によっては複数通りの構造モデルとして登録されている - データパネル NMR アンサンブルの各ボタンを押してみる表示される構造を確認 - スタイルパネルカートゥーンと B&S ボタンで側鎖を表示しデータパネル NMR アンサンブルのアニメーションとして再生を押す静止画だと側鎖のアンサンブルは見にくいアニメーションなら見やすい 28

29 アンサンブル構造を見てみる代表的なモデルモデル #1 全 15 モデル重ね合わせ 29

30 実習 5: 最も単純なウイルスタバコモザイクウイルス (TMV) を見てみる 30

31 タバコモザイクウイルス (TMV) タバコモザイクウイルス :TMV - タバコなどの植物に感染する - もっとも単純なウイルスのひとつ - 長さ約 300 nm 直径約 18 nm - 1 本の RNA 鎖と 2130 個の 1 種類のタンパク質からなる画像 : 今月の分子 (Molecule of the Month) 31

32 どれが蛋白質? どれが RNA? 構成要素パネルの各ボタンを押してみる ( 蛋白質はポリペプチドの一種 ) 32

33 集合体構造を見るデータパネル生物学的単位 1 のボタンを押す構成要素パネルのボタンを押して見る 33

34 表示スタイルを変えてみる手順 - スタイルパネル選択タンパク質ボタンを押し色紫色のボタンを押し透明度のスライダーをいちばん右へ移動タンパク質部分が半透明の紫色になる - スタイルパネル選択 DNA/RNA を押し原子空間充填ボタンを押し色虹色グループボタンを押す RNA が目立つ - 選択リセットボタンを押し選択状態をリセット - 表示パネル断面スライダーを調節 34

35 実習 6: 最も大きなウイルス ( の仲間 ) のミミウイルスを見てみる 35

36 巨大ウイルスの中身を見てみる手順 - EMDB-5039 をひらく ( 開くパネル ID を指定行の入力ボックスに 5039 と入力し Enter キーを押す ) ミミウイルスの構造が表示される - スタイルパネル表面のスタイル行の塗りつぶしのチェックを外しメッシュをチェックし透明度スライダーを調節中に構造体があることがわかる - 表示パネルスケール行の 1000A のボタンをクリックスケール付きのフレームが表示される 36

37 巨大ウイルスの中身を見てみる塗りつぶし表示半透明のメッシュ表示スケールを表示 37

38 実習 7: EM Navigator を開いてみる 38

39 EM Navigator を開く手順 : キーワード em navigator で Web 検索または PDBj トップページの左フレーム検索の中の EM Navigator をクリック 39

40 EM Navigator とは? チェックページ全体英語版と日本語版がある今回は日本語で利用ページ上部データを見るデータベースサイトによくある検索ボックスなどページ中ムービースロット EM Navigator の最大の特徴はこのムービーページ左下 EM Navigator とは? 生体分子や生体組織の 3 次元電子顕微鏡データを気軽にわかりやすく眺めるためのウェブサイトです EMDB と PDB のデータを利用しています 40

41 解説 4: 3 次元電子顕微鏡とは? 41

42 電子顕微鏡ってなに? 電子顕微鏡 ( 電顕 EM) 透過型電子顕微鏡 ( 影絵を見るタイプ ) 分子原子レベルの分解能定量性 42

43 なぜ電子顕微鏡? 生命のカラクリを直接見たい! 生命現象の担い手 ( 生体組織生体分子 ) はとても小さい光では見ることができない ( 分解能は 100nm 程度 ) 電子線なら原子も見える ( 原理的には 1A よりも高分解能 ) 光を電子線におきかえた顕微鏡 : 電子顕微鏡 (Electron Microscopy: EM) 43

44 3 次元電子顕微鏡とは? 電子顕微鏡写真の問題点ノイズが強い 2 次元 (3 次元で見たい!) その対策 ( 画像解析などのコンピュータ処理 ) 電子線トモグラフィー単粒子解析電子線結晶学などこれらの総称が 3 次元電子顕微鏡 (3D-EM) 44

45 欠点と利点欠点 : 分解能が低い 3 次元化とノイズ低減で分解能が犠牲原子モデル作成は難しい利点 : 生き生きとした姿を見ることができる試料調整のハードルが低い ( 一般に ) コンピュータの中での抽出精製も可能大きな試料が得意 X 線結晶学 NMR とは真逆で相補的 45

46 生き生きとした構造 eef3 の構造 <Andersen et al., Nature 2006> X 線結晶学 X 線溶液散乱電子顕微鏡 EMDB-1233 と PDB-2ix8 46

47 まとめ電子顕微鏡 : 光の代わりに電子を使った顕微鏡 3 次元電子顕微鏡 : 電子顕微鏡像から 3 次元構造を得る手法欠点と利点 : 分解能は低いが生き生きとした構造を見ることができる 47

48 解説 5: 3 次元電子顕微鏡とデータベース 48

49 データベースの中の 3 次元電子顕微鏡構造 NMR 9,269 件電子顕微鏡 434 件その他 123 件 X 線結晶学 68,802 件 EM Data Bank (EMDB) 1,242 件 Protein Data Bank 78,628 件 49

50 PDB と EMDB PDB では原子座標が主データ ( 必須 ) 多くの 3 次元電子顕微鏡データは対象外 2002 年に欧州の EBI が EM Data Bank(EMDB) を設立 ( 現在は米国 RCSB NCMI とともに運営 ) EMDB では 3 次元マップが主データ PDB と同様試料や実験条件などの付随情報も 50

51 3 次元マップってなに? 3 次元空間の中の密度 ( 濃い薄い ) の分布カタチを表しているのではない形状は平行 6 面体 ( 多くは立方体 ) でその中に濃い部分と薄い部分がある X 線結晶学での電子密度マップに相当電子密度ではなく静電ポテンシャルに関係ただしこの違いが意味をもつことは少ない半透明のグレーの図 ( ソリッド図 ): ノイズが強いデータで利用色の濃さで密度を表現当数値面図 ( 等高面図 ): 色は左が断面の密度右はある点直線面からの距離を表現 51

52 データ登録数の推移 EMDB と PDB のデータ登録数の推移 52

53 原子モデルの構築高分解能 (~4A 以上 ) の場合原子モデルの直接構築が可能 ( アミノ酸配列立体化学などの情報を利用 ) 低分解能の場合既知の原子モデルを使えば限定的に可能 ( 原子モデルのあてはめ ) PDB には両タイプのデータが登録されている 53

54 ハイブリッド構造解析とデータベースリボソーム PDB: 2i2u / 2u2v EF-Tu trna 複合体 PDB: 1ob2 L1 突起部位 PDB: 1mzp ホモロジーモデル登録なしあてはめリボソーム +trna+ 伸長因子 Tu 複合体 EMDB: 5036 あてはめた結果 PDB: 3fih / 3fik (Villa E. et al., PNAS, 2009) 54

55 まとめ EMDB は 3 次元電子顕微鏡データのデータベース PDB の主データが原子座標であるのに対し EMDB の主データは 3 次元マップ登録数は増加傾向低分解能でも注目すべきデータもある低分解能データでもハイブリッドな手法で原子モデルの構築が可能 55

56 お知らせ EMDB の全データが PDB アーカイブに追加されます (3 月 7 日から ) 何が変わるの? データ登録ウェブベースでの利用特に何も変わらない (EMDB データのアドレスが変更になる ) 全データをダウンロード (rsync) しているユーザーデータサイズが EMDB の分増える 130GB 180GB 56

57 実習 8: PDB と EMDB のデータを見てみる 57

58 PDB のデータを見てみる手順 : トップページ上部の入力ボックスに ID を入力 ID の例 :3gzu, 2ix8 など PDB-3gzu の詳細ページ PDB-2ix8 の詳細ページ 58

59 PDB のデータを見てみるページ上部 : タイトルなどチェックページ左上 : 分子構造のムービー登録構造の他に生物学的集合体他のデータと重ね合わせた表示などページ左下 : 詳細情報のナビゲーションパネルページ右側 : 詳細情報 PDBjMine の詳細ページと同じ趣旨だが独特の付随情報 ( 解析手法など ) を表示関連するエントリを画像付きで表示 ( 電子顕微鏡データの事情 ) 59

60 EMDB のデータを見る手順 1: トップページ入力ボックスに ID を入力 ID の例 :1155, 1542, 1604 EMDB-1542 EMDB

61 EMDB のデータを見るチェックページ全体 PDBデータのページとほぼ同じムービークリックで再生スライダーでシーク回転断面表示などムービーの画像クリックでムービーの種類が切り替わるムービーにはいくつかの種類があるグレーの半透明のもの単色グラデーションの表面図原子モデルとの重ね合わせ EMDB-1155 EMDB-1542 EMDB

62 実習 9: ファージ尾部の構造変化を見る目的 : ムービーで構造を比較してみる 62

63 バクテリオファージ DNA の注入ファージ細菌比較 63

ムービーページが開かれる手順 2: ページ下部ムービーの追加パネル関連するデータの [1268] ボタンをクリック

64 ムービーページムービーページ : 詳細ページよりも高解像度のムービーが見られる他のエントリのムービーとの比較も可能手順 1:EMDB-1267 の詳細ページでページ右上部のムービーページというリンクをクリックムービーページが開かれる手順 2: ページ下部ムービーの追加パネル関連するデータの [1268] ボタンをクリック箱の中に画像が出てくる手順 3: カラフルな方をクリック新しいムービーが出てくる手順 4: ページ左側のコントロールパネルで見る方向を選択し観察 64

65 ファージ尾部の構造変化チェックムービームービーの操作パネルでは再生や一時停止のほかに見る方向やムービーのサイズを操作できるファージ尾部の構造比較外から見てもよく分からないが上から見たり断面を見たりすると中心部分の構造変化がよく分かる 65

66 実習 10: 哺乳類由来リボソームを見てみる EMDB と PDB のデータを合わせてみる 66

67 リボソームは蛋白質製造工場今月の分子 : 70S リボソーム 67

68 万見で EMDB のデータを見てみる万見の開くパネルの ID 欄に 1480 と入力 EMDB-1480 のページ 68

69 ハイブリッドなデータ 2 種類のデータベース合計 3 種類のデータを重ねて表示あてはめたモデルの 2 つの表示チェックボックスをチェック 69

70 蛋白質工場は何でできているか? 構成要素パネルを開くリボソームには RNA が多く含まれていることがわかる 70

71 実習 11: ウイルスの細胞侵入のメカニズムを見る 71

72 ウイルスと受容体の構造解析ウイルスここが知りたい! ウイルス受容体細胞受容体で飽和したウイルスを構造解析 72

73 コクサッキーウイルスの例手順 - PDB-1z7z をひらく - データパネル集合体行 1: 主鎖のみボタンを押す正 20 面体対称構造が表示される - 構成要素パネル chain-i の選択ボタンを押すウイルス受容体が選択状態になる球状のウイルスのまわりに長い受容体分子が結合している 73

74 EMDB データとの重ね合わせ手順 - データパネル登録構造ボタンを押すもとの表示に戻る - データパネル EMDB のマップデータの表示をチェック対応する EMDB データが重ねて表示される - 表示パネルタのズームと断面のスライダーを調節し結合部分を見やすくする重なり具合がよくわかるようになる 74

75 最後に 75

76 動画による解説万見 (Yorodumi) の使い方 ~ 基本と連携 ~ 統合 TV 制作 : 統合データベースセンター 76

77 万見画廊ページ表示例とチュートリアル万見トップページ : 77

タイトル

タイトルウェブブラウザと分子構造ビューアで生体分子の立体構造を見る PDBj 講習会 2015-02-20 大阪大学蛋白質研究所鈴木博文 PDBj / 大阪大学蛋白質研究所実習の準備 2 - ウェブブラウザの確認 Firefox か Chrome が望ましい - Java 実行環境のインストール ( 可能であれば ) 万見で利用 (Java がないと動作が遅い ) - UCSF-Chimera のインストール