彼女は博士号を持っていませんでしたが、かつては構造生物学者が最も「共同研究」したいと思っていた人物でした。

科学者は、タンパク質の複雑な三次元構造を単純化して視覚化するために、リボン、線、矢印で構成されたリボン図を発明しました。これは、今日、タンパク質の三次元構造を表す最も一般的に使用されている方法です。それで、それはどのように発明され、科学界におけるその出現にはどのような意義があるのでしょうか?

著者 |小茶謝

新しい方向に進むことを恐れないでください。アイデアや結果を自由に共有、共同作業、提供できます。

新しい方向に挑戦することを恐れないでください。アイデアや結果を自由に共有、共同作業、貢献できます。

——ジェーン・リチャードソン

1958年、イギリスの生物学者ジョン・カウダリー・ケンドリューらは、X線回折法を用いてマッコウクジラのミオグロビンの三次構造を解明することに成功し、その結果をネイチャー誌に発表した。これは人類史上初めて、X線回折技術を用いて高次構造が解明されたタンパク質です。 1962年、ケンドリューとマックス・ペルーツはヘモグロビンの構造を解析した功績によりノーベル化学賞を共同受賞しました。それ以来、構造生物学は学問として発展し始めました。

同じ頃、大西洋の反対側のアメリカでは、ジェーン・シェルビーという名の17歳の少女が、ソ連が打ち上げたスプートニク衛星の軌道を肉眼で観察し計算した功績により、ウェスティングハウス科学人材発掘コンテストで第3位を獲得したばかりだった。このコンテストは1942年に始まり、今日まで続いています。現在はアメリカの企業リジェネロン社がスポンサーとなり（コンテスト名はリジェネロン・サイエンス・タレント・サーチ）、高校生の中から科学的な才能を発掘し育成することを目的としています。

図1 ジェーンの成績はまだ入手可能

ジェーンの父親は電気技師です。おそらく家族の影響で、彼女は小学校3年生の時にアメリカ・ニューヨークのヘイデンプラネタリウムを訪れて以来、数学と航空宇宙に強い関心を抱くようになった。彼女はその後、米国でもトップクラスのリベラルアーツカレッジの一つであるスワースモア大学に入学し、ハーバード大学で修士課程を修了しました。卒業後、ジェーンはしばらく中学校の教師として働き、その後、MIT の研究室に技術者として参加し、そこで構造生物学の分野に携わり始め、当時博士号取得を目指していたデイビッド・リチャードソンと出会いました。

ジェーンとデビッドの関係は職場で開花し、二人は結婚しました。結婚後、二人は同じ科学研究の目標に向かって取り組んでいます。ケンドリューらの例を繰り返しリバースエンジニアリングした後、2人は1969年についにシトクロムCの構造を解析し、実証した。これは人類史上10番目に解明されたタンパク質である。 (話題から外れますが、「愛の果実」というのは単なる比喩です。本当に果実があるのです。比較のしようがありません。比較のしようがありません。)

タンパク質の構造が解明されるにつれて、構造生物学者は、タンパク質の構造を正確に表現する方法、特に紙などの2次元平面上にタンパク質の3次元構造を表示する方法という新たな問題に直面しています。 Kendrew らが、最初の構造を公開した後、彼らはモデルを作り、それから写真を撮ることを選択しました。明らかに、これは厳密でも便利でもありません。しかし、当時の人々にはこれよりよい解決策がありませんでした。

1980 年頃、ジェーンはまだこの問題に悩まされていました。ある時、彼女は誤ってベルトを手に持って遊んでしまいました。巻き上げられたベルトは連結したアミノ酸骨格のように見え、これは三次元のタンパク質をより良く視覚化できることを意味しているのかもしれない。これを基に、1年間の改訂を経て、彼女は広範囲にわたるリボンモデル（リボン図、時には「リボンモデル」などと翻訳される）を考案し、「タンパク質構造の解剖学と分類学」と題する論文を書き、1981年のAdvances in Protein Chemistry年刊誌に掲載した。この論文は170ページ以上に及び、ジェーン・リチャードソンはタンパク質の「3Dレンダリング2（読者や視聴者が読み、見て、理解できるように、コンピューターや手動レンダリングを使用して2次元の紙や画面などに3次元の空間構造をレンダリングする技術）」の分野における先駆者としての地位を確立しました。

ジェーンの作品が発表されると、同僚たちから広く賞賛されました。理由は簡単です。とても使いやすいからです。リボン モデルは、タンパク質を構成するアミノ酸骨格を明確かつ効果的に配置して表示します。アミノ酸骨格は、より低いエネルギーで α ヘリックスや β フォールドなどの構造を自発的に形成するため、ジェーンは、α ヘリックスを表す装飾的なリボンに似た構造、β フォールドを表す平らな矢印、そして 2 つの構造を接続するループを表す細い線を創造的に使用しました。

図2 左の写真はJCケンドリューの「モデル写真」です。右の写真はジェーン・リチャードソンの「リボンモデル」の原稿です。画像出典：参考文献[1]/ジェーン・リチャードソン

このモデルの発明はコミュニティ全体を驚かせましたが、同僚たちはすぐに、誰もがこれほど美しく正確な絵を描けるわけではないことに気づきました。こうしてジェーンは、その界隈で人気の「画家の妻」となった。多くの同僚が彼女に手紙を書き、「この構造物を描くのを手伝ってくれませんか？」と尋ねました。

明らかに、ジェーンは一人でこれほど多くの構造物を描くことはできませんし、科学の発展は科学者の芸術的才能に頼ることはできません。そこでジェーンとデイビッドはコンピューター生成を使うことを考えました。 1980 年代から 1990 年代はコンピュータ技術が急速に発展した時代でしたが、リボン モデルを生成できるアルゴリズムが最終的に開発されるまでには約 10 年かかりました。このコンピュータ プログラムを完了した後、ジェーンは嬉しそうに言いました。「ついにもう手で描く必要がなくなりました!」彼女が過去10年間に何を経験してきたのか想像するのは難しい。

ジェーンの仕事は絵筆を置いても終わらなかった。彼女は構造生物学の分野をさらに深く探求し、水素結合や結合水の表現など、現在でも使用されている新しい機能をモデルに追加し続けました。

リボン モデルには一定の制限があることは否定できません。たとえば、構造を簡素化するために、アミノ酸の主鎖のみを記述し、側鎖は反映しません。したがって、分子間相互作用に重要なタンパク質表面のチャネル、隆起、その他の結合部位を表示することはできません。そのため、後世の人々は読者が理解しやすいように、このモデルに基づいてボール＆スティック図や空間充填図などの古典的なモデルを開発しました。

図 3 一般的に使用される 3 つのモデルの比較。左はジェーン・リチャードソンが考案した、アミノ酸骨格や構造ドメインなどのタンパク質の特性に着目したリボンモデルです。真ん中はボールと棒のモデルで、各原子の位置をより正確に示すものです。右側は空間占有モデルで、各原子の体積を表示することで、タンパク質分子内の原子または原子クラスターの実際の空間分布をより直感的に表すことができます。また、形態、チャネル、細孔などのタンパク質分子表面の構造特性を示し、医薬品開発などの分野で潜在的な結合部位を見つけるのに役立ちます。画像出典: タンパク質データバンク

図 3 の左側の絵を「漫画」絵と呼ぶ人もいます。実際、モデル システムによって命名方法が異なります。たとえば、タンパク質構造データベース (RCSB PDB) では、Cartoon と Ribbon の両方でリボンを使用して α ヘリックスおよび β フォールドを表します。違いは、Cartoon の非晶質領域では円筒状の細い線が使用され、矢印が β フォールドの方向を示すために使用されていることです。一方、リボンの非晶質領域では、α ヘリックスや β フォールドに似た平らなリボンが使用され、β フォールドには矢印がありません。これらはすべて、ジェーンのオリジナル バージョンに加えられた変更です。

図4 左の図はPDBの「Cartoon」を示しています。右の写真は「リボン」（PDB: 1FPU）を示しています。

他の場所でも命名に違いがあります。例えば、PyMol ソフトウェアでは、「Cartoon」ダイアグラムはこの記事で紹介した「Ribbon」や PDB の「Cartoon」に似ていますが、「Ribbon」は図 5 に示すように、胴体部分のみを表示する表示方法です。

図 5 左の図は PyMol の「リボン」を示し、右の図は「漫画」(PDB: 1FPU) を示しています。

いずれにせよ、リボン モデルは今日に至るまで、最も成功したタンパク質モデルであり、科学研究論文や科学一般の書籍で最もよく見られるモデルです。多くの教師は生徒たちに繰り返しこう注意しなければなりません。「これはあくまでも大まかな推定値です。あなたの体の中には矢印や螺旋がたくさん詰まっているわけではありません。」私はこれまでの多くの作品でもこのモデルを使用しました。ジェーンおばあちゃんに感謝の意を表したいと思います。

図 6 ジェーンの初期の絵には、当時の「リボン」や「漫画」の典型的な特徴がすでに備わっています。画像出典: doi.org/10.1038/77912

ジェーン・リチャードソンは恋人のデイビッドとともに構造生物学の発展に尽力し、タンパク質構造解析や構造可視化手法に多大な貢献をしてきました。彼らはタンパク質データバンクの創設に貢献しました。 2019年、彼らはデューク大学で50周年を一緒に祝い、デューク大学の関係者はジェーンを「リボン図の母」と呼びました。 COVID-19パンデミックの間、彼らは新しいコロナウイルスタンパク質の構造解析にも貢献しました。彼らは今でもデューク大学に独自の研究グループを持っています。

図 7 ジェーン・リチャードソン |画像出典: duke.edu

ジェーン・リチャードソンは生涯で正式な博士号を取得することはなかったが、3つの学校から名誉博士号を授与された。彼女は若者に探究することを強く奨励しており、インタビューでこう語っている。「最近の若者がタンパク質を見る方法は、私が1980年代にいた頃と同じではないかと思うことがあります。私が良い方法を発明したのかもしれませんが、それが唯一の方法ではないことは確かです。タンパク質がどのように見えるかは、それをどのように見せたいかによって決まります。」

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