RIKEN Structural Genomics/Proteomics Initiative (RSGI) (http://www.rsgi.riken.go.jp) was organized to conduct genome- and proteome-based structural biology (structural genomics and proteomics) by RIKEN Genomic Sciences Center (GSC) and Harima Institute at SPring-8 in 2001. RSGI has been integrated into the National Project on Protein Structural and Functional Analyses (NPPSFA or Protein 3000), organized by the Ministry of Education, Culture, Sports, Science, and Technology (MEXT), as one center of the program for comprehensive studies. Proteins involved in important biological phenomena are selected as targets. Proteins from small-genome microorganisms, such as the eubacterial extreme thermophile, Thermus thermophilus HB8, are selected, as they constitute 'minimum protein sets' for cells. In particular, proteins involved in replication, recombination, transcription, and translation of the fundamental genetic system are intensively studied. For human, mouse, and plant proteins, those involved in signal transduction and/or nucleic acid binding are selected. Disease-related proteins are also important to understand the mechanisms of the diseases, and may be drug target candidates. We have exploited both bacterial and cell free synthesis systems and prepared a standardized method for high-throughput sample preparation to work on thousands of proteins per year. At present, research and development is focused on applying the basic technique of cell free synthesis for those proteins which are the most difficult to synthesize, i.e. large, complex and trans-membrane proteins. We use both NMR spectroscopy and X-ray crystallography half-and-half for the three-dimensional structural analyses of proteins. X-ray crystallography data collection is mainly carried out at the synchrotron radiation facility, SPring-8 while NMR spectroscopy at the large-scale NMR facilities at the Yokohama Institute. We also use in silico screenings for the purpose of the discovery of lead compounds that may develop as new pharmaceutical drugs. In order to obtain further functional information about target proteins and to aim for medical and biological applications, we have closely collaborated with universities, academic institutes, and pharmaceutical companies.

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An unexpected protein-fold evolution via natural selection was found in the crystal structure of congerin I, a congar eel galectin. This particular example suggests that the relationship among protein-folds should be studied not only by stereochemistry but also by phylogenetics. How can we predict entire fold models exist in the protein-fold space and their relationships? The outline and the preliminary results from an attempt for mapping the protein-fold space by a computer simulation are described.

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　生命現象の理解を深めるために、そこにかかわる蛋白質や核酸の立体構造を知ることが必須の過程になってきている．こうした背景にはX線結晶構造解析、NMR構造解析、電子線構造解析などの立体構造研究法が身近な手法になってきたことがある．そのうち蛋白質結晶学はそのルーツを１９３０年代の英国におけるペプシンのX線回折に求めることができ、１９５０年代末から６０年初頭のヘモグロビンとミオグロビンの構造決定によって確固とした体系を確立した．その後、放射光X線の利用、コンピュータの進歩と構造解析法の開発、遺伝子操作技術の進歩によって、ルーチン化が進んで生物科学の誰でも使うことのできる当たり前の手法になりつつある。　構造生物学は主として3つの方向性を持って進んでいる。第１は数多くの立体構造を求める網羅的構造解析である。構造決定に基づいてリボン図を描き、アミノ酸側鎖を配置させることができる程度の蛋白質の立体構造と部位指定変異体の解析によって、蛋白質の働きの仕組みを解き明かす研究が盛んに行われている。　第２は巨大で複雑な組成の超分子集合体の構造決定で、構造解析の分子量限界への挑戦である。この研究は細胞内にある様々な状態の集合体構造を決めることによって、生命の営みを理解しようとする方向に進もうとしている。そのための電子顕微鏡、X線、固体NMRの新しい手法の開発も盛んに行われている．第１の研究成果はここでもおおいに活かされる。　第３は位置と時間空間での精密構造解析である。リボン図の構造から部位特異的変異体解析を介して一挙に生命の神秘に迫る研究が盛んに行われている。しかし、“なぜそうなるか”という真理を探る上で必然的な疑問が出てくる．この疑問への回答は、構造に基づいて“化学”を介して生命現象を理解することによって可能になる．　いずれも構造生物学の重要な領域であり、互いに密接に関連して進歩する。こうした構造生物学を概観し、第３の方向での取り組みチトクロム酸化酵素を例にして話したい。

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　タンパク3000プロジェクト個別的解析プログラム「発生・分化とDNAの複製・修復」班では、ヒト・マウス・ショウジョウバエ等の真核生物由来および大腸菌・好熱細菌・超好熱古細菌等の原核生物由来の発生・分化やDNAの複製・修復に関するタンパク質の立体構造解析と機能解析を進めている。この3年間に、150個のタンパク質構造を決定し、そのうち82個をPDBに登録した。また、53件の特許出願をおこなった（国内35件、国際18件）。
　上記個別的解析プログラムの中核機関として、私たちの研究室では、体細胞の分裂回数を制御しているヒトのテロメアタンパク質、初期発生に必須である魚類の孵化酵素、甲殻類の成長を制御する脱皮抑制ホルモン、昆虫の脱皮行動や概日周期を制御する心臓作動性ペプチド等の発生・分化関連タンパク質、さらに、転写制御因子、その他のDNA結合タンパク質、プリン塩基の生合成に関わるグアノシン一燐酸合成酵素等のDNA複製・修復関連タンパク質の構造解析を行ってきた。また同時に、タンパク質の機能解析として、細胞の分化に関連するWWドメイン含有タンパク質やCa²⁺結合タンパク質の核磁気共鳴（NMR）および表面プラズモン共鳴（SPR）によるタンパク質分子間相互作用解析を、基盤技術開発として、不溶化組換えタンパク質の試験管内巻戻し、膜タンパク質の発現、擬似微小重力下での結晶化の検討を進めてきた。
　今年度からは新たに、タンパク質の構造解析・機能解析から「創薬への展開」を念頭に置き、ヒトの疾患（肥満・糖尿病・動脈硬化・心筋症等）関連タンパク質やヒトに感染して疾患を引き起こす病原体のタンパク質に焦点を絞った解析を開始した。本発表では、私たちの研究室の最近の研究成果である「心筋症の治療薬開発につながるタンパク質の構造・機能解析」を中心に紹介する。

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ゲノム情報を基に合成されたタンパク質が、正しく構造形成し、その機能を果たすべき場所において機能を発現するまでには、さまざまな因子が関与している。タンパク質の3次構造情報は配列にコードされている。しかし、様々なタンパク質が共存する細胞内の環境でタンパク質が正しくフォールドするには、分子シャペロンと呼ばれるタンパク質群の働きが不可欠となっている。また、すでに折り畳まれたタンパク質が、外からの種々のストレスによって不安定化されることもあるが、分子シャペロンはタンパク質の保護や再生も行っている。分子シャペロンは細胞内におけるタンパク質の一生を司っており、タンパク質の生合成、機能調節、輸送、分解などの様々なイベントにおいて重要な役割を担っている。分子シャペロンはタンパク質を基質とする酵素といえるが、基質が大きな構造を有していることから、巨大で複雑な4次構造を形成していることが多い。我々は、タンパク質の高次構造形成と機能発現の分子機構を系統的に理解することを目的に、分子シャペロンを代表とするタンパク質高次構造形成と機能発現に関わる種々のタンパク質の構造解析を行っている。本発表では、我々のグループの成果を紹介すると同時に、Small Heat Shock Protein, II型シャペロニン及びプレフォルディンといった分子シャペロンの構造に基づいたタンパク質フォールディング機構について最新の知見も報告する。

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創薬は難しい．私は，物理化学あるいは構造生物学の立場から少しでも創薬に貢献しようと悪戦苦闘してきた．いまではSBDD^※1やFBDD^※2はHTS^※3などと同様，創薬手法としてよく知られた方法だが，私の挑戦は1987年に遡る．NMRで決定したBPTI^※4の構造を，X線で決めた構造と比較した論文を読んだとき，タンパク質の立体構造を利用する創薬が早晩必須となることを予感した．ちなみに1987年のPDB^※5に登録された立体構造は年間25個，累積で238個であった．2012年の年間登録が8,936個，累積で86,975個であることと比べると隔世の感がある．
標的タンパク質の立体構造に基づく創薬をラショナルドラッグデザインと呼び，X線構造解析法とNMR法という実験的な手法に，コンピュータを使ったシミュレーションを加えたSBDDが登場した．私は所属していた山之内製薬（現アステラス製薬）の研究所が1989年につくばに移転した際に，大変な苦労の末にX線回折装置と600MHzNMRに加えて，コンピュータグラフィックスを揃えた分子設計研究室の設立を推進した．当時は日本国内のX線結晶学の研究者を集めても，海外の大手製薬会社1社のX線結晶学の研究者程度しかいないと言われた時代であった．SBDDは1990年のHIVプロテアーゼとリガンドとの複合体解析に始まり，その後，ノイラミニダーゼを標的にしてタミフルがデザインされた例は有名である．また，1994年にはSAR by NMRが発表され，FBDDの源流となった．FBDDを武器とした創薬ベンチャーが幾つも登場し，その中の1つ，Plexxikon社が2005年に見いだしたゼルボラフはBrafタンパク質の変異型を標的とした皮膚がん治療薬として，FBDDによる最初のFDA承認薬となっている．
SBDDやFBDDを支える中心的な技術は，タンパク質の構造解析である．タンパク質の基本構造は10,000種類と見積もられ，網羅的に構造を決める世界的なが計画された．日本では2002年からタンパク3000プロジェクトがスタートし，2007年度までの5年間で3,000を大きく超える構造決定に成功した．評価は様々あるようだが，日本の構造生物学研究を支える多くの研究者を育て，製薬企業の創薬研究に質的変化をもたらした功績は大きいと考えている．その後も技術は進展し，重要な創薬標的であるGPCR^※6の構造決定が進んでいる．また最近，19F-NMRを使ったスクリーニング法も注目されている．これは，フッ素原子を含む承認薬が全体の約1／3を占めている点に着目し，フッ素原子を好むタンパク質側の結合部位を探索する手法であり，単にFBDDの一手段に留まらず新たなドラッグデザインにつながる可能性をはらんでいる．
創薬は難しい．しかし，活性や選択性を上げるためには標的タンパク質がリガンド分子を認識する描像を手にすることが必要で，これが創薬に大きく貢献することに異論を挟む人はいないであろう．海外の製薬会社が極めてルーティン的にSBDDやFBDDを創薬に取り入れているのに比べ，日本ではまだまだという感は否めない．構造生物学の重要性をより一層認識して欲しいものである．

※1　SBDD：structure based drug design（標的タンパク質の構造に基づく分子デザイン），※2　FBDD：fragment based drug design（フラグメント分子を利用した分子デザイン），※3　HTS：high throughput screening（ハイスループットスクリーニング），※4　BPTI：bovine pancreatic trypsin inhibitor（ウシトリプシン阻害剤），※5　PDB：Protein Date Bank（タンパク質構造データバンク），※6　GPCR：G-protein coupled receptor（Gタンパク質共役受容体）．

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