クライオ電子顕微鏡ハンドブック

序章　 クライオ電子顕微鏡が切り拓く構造生命科学の新展開
《難波　啓一》
　1　はじめに
　2　クライオ電子顕微鏡法の特徴
　3　クライオ電子顕微鏡法の3 つの手法
　4　最近の技術進歩
　5　おわりに

第1章　 クライオ電子顕微鏡三種の神器
第1節　単粒子解析法 《守屋　俊夫》
　1　クライオ電子顕微鏡を用いた単粒子解析法とこの構造解析法に適した試料
　2　不均質な試料のデジタル精製
　3　単粒子解析のプロトコールと課題
　4　原子座標モデリングとクライオ電子顕微鏡マップの解釈
　5　データベース登録
　6　単粒子解析と他の構造解析手法を組み合わせたハイブリッド構造解析の重要性
　第2節　電子線トモグラフィー 《ダネブ・ラドスティン，吉川　雅英》
　1　基本原理
　2　Cryo-ET データ取得
　3　Cryo-ET データ処理
　4　サブトモグラム分析
　5　2D テンプレートマッチング
　第3節　電子線三次元結晶構造解析/3D ED/ マイクロED の原理，他法との比較，展望 
　《米倉　功治，眞木　さおり，高場　圭章》
　1　はじめに
　2　試料の要件
　3　測定の要件
　4　解析の特徴
　5　散乱実体
　6　おわりに

第2章　 試料作製技術
第1節　氷包埋試料作製技術 《廣瀬　未果，加藤　貴之》
　1　はじめに
　2　氷包埋法
　3　新型凍結装置
　第2節　新規な化学修飾グラフェングリッド（EG-grid）の利用
　《藤田　純三，森口　舞子，淺原　時泰，井上　豪》
　1　新規グラフェングリッド開発の背景
　2　グラフェングリッドの作製
　3　グラフェンの光酸化反応
　4　EG-gridTM の作製
　5　EG-gridTM の利用例
　6　今後の課題と展望

第3章　 単粒子解析～撮影から画像解析，モデリング，データベース登録～
第1節　SerialEM のインストール，キャリブレーション，自動撮影の手引
　《牧野　文信》
　1　はじめに
　2　インストールとプロパティファイル
　3　倍率補正とステージキャリブレーション
　4　ビームのキャリブレーション
　5　Low Dose Control の設定および撮影の準備
　6　グローバルマップとスクエアマップの作成
　7　イメージシフトを使用したSPA の自動撮影方法（SerialEM 標準の方法）
　8　最後に
　第2節　クライオ電子顕微鏡および単粒子像解析における画像解析法
　《安永　卓生》
　1　はじめに
　2　デジタル画像処理の基礎
　3　静電場を反映した画像
　4　電子顕微鏡画像のコントラストとその補正
　5　動画像処理
　6　単粒子解析に関わる画像処理
　7　おわりに
　第3節　AI を用いた自動粒子ピッキング法 《守屋　俊夫》
　1　粒子ピッキングの自動化における課題
　2　深層学習ベースの粒子ピッキング
　3　畳み込みニューラルネットワーク（CNN）と粒子ピッキング
　4　深層学習粒子ピッキングの事前訓練アプローチ
　5　深層学習ベースの粒子ピッキングソフトウェアの代表例：crYOLO とTopaz
　6　深層学習粒子ピッキングを利用する上での注意点
　第4節　主な画像解析ソフトの特徴と応用 《岸川　淳一》
　1　はじめに
　2　単粒子画像解析ソフトのこれまで
　3　Relion とcryoSPARC
　4　単粒子解析の実際
　5　さらなる高分解能を目指して
　6　まとめ
　第5節　クライオ電子顕微鏡画像，マップおよび原子モデルのデータベース登録
　《栗栖　源嗣》
　1　はじめに
　2　背　景
　3　PDB とEMDB への登録
　4　EMPIAR への登録
　5　電子顕微鏡構造の検証レポート
　6　最後に

第4章　 単粒子解析法による構造解析
第1節　クライオスナップショットによるV/A-ATPase の回転機構の解明
　《横山　謙》
　1　背　景
　2　実験方法
　3　結　果
　4　考察：クライオスナップショットから判明したV/A-ATPase の回転機構
　5　展　望
　第2節　クライオ電子顕微鏡と単粒子解析による線維構造解析
　《成田　哲博，田中　康太郎》
　1　はじめに
　2　細胞内の線維構造
　3　線維の周期構造と対称性
　4　RELION による構造解析
　5　対称性の決定
　6　まとめ
　第3節　SERCA2b の構造解析―結晶構造解析から
　クライオ電顕単粒子解析までの変遷 《渡部　聡，稲葉　謙次》
　1　はじめに
　2　LCP 結晶化法を利用したSERCA2b 結晶構造解析
　3　クライオ電子顕微鏡によるSERCA2b 構造解析
　4　SERCA2b E1-2Ca2＋状態のクライオ電顕構造解析
　5　おわりに
　第4節　さまざまなプロスタグランジン受容体構造から見えた
　シグナル伝達の分子機構 《寿野　良二，清水（小林）　拓也》
　1　GPCR の構造生物学
　2　プロスタグランジン受容体
　3　ヒトプロスタグランジン受容体-Gタンパク質複合体のクライオ電子顕微鏡単粒子解析
　4　プロスタグランジン受容体のG タンパク質選択性
　5　おわりに
　第5節　Large Pore Channel の多様な分子構造と膜透過 《大嶋　篤典》
　1　はじめに
　2　ヒトコネキシン26 の構造と開閉
　3　線虫イネキシン6 ギャップ結合チャネルの可溶化状態の構造
　4　ナノディスク再構成したイネキシン6 ヘミチャネルの構造と脂質
　5　ヒトパネキシン1 のナノディスクを利用したcryo-EM 構造と脂質
　6　他のlarge pore channel の構造と開閉におけるN 末端領域の寄与
　7　おわりに
　第6節　人工設計タンパク質ナノ粒子TIP60 の立体構造解析
　《新井　亮一，川上　了史，小幡　隼也，包　明久，那須　英里圭，宮本　憲二，吉川　雅英》
　1　はじめに
　2　人工設計タンパク質ナノ粒子TIP60 の創製
　3　人工設計タンパク質ナノ粒子TIP60 のクライオ電子顕微鏡単粒子解析
　第7節　クロマチン転写伸長超複合体の構造解析 《鯨井　智也，胡桃坂　仁志》
　1　はじめに
　2　ヌクレオソームとRNA ポリメラーゼII の立体構造
　3　転写中のRNA ポリメラーゼII-ヌクレオソーム複合体の再構成
　4　RNA ポリメラーゼII-ヌクレオソーム複合体の立体構造解析
　5　転写伸長因子結合型RNA ポリメラーゼII-ヌクレオソーム複合体の構造解析
　6　おわりに
　第8節　脂質膜小胞上の電位依存性チャネルの構造解析 《重松　秀樹》
　1　はじめに
　2　電位依存性イオンチャネル
　3　膜タンパク質構造解析とクライオ電子顕微鏡単粒子解析
　4　 Random Spherically Constrained（ RSC） single particle reconstruction of membrane proteins
　第9節　巨大ウイルスの構造解析 《レイモンド・バートンスミス，村田　和義》
　1　はじめに
　2　巨大ウイルスとは
　3　巨大ウイルス構造解析のための予備知識
　4　クライオ超高圧EM による巨大ウイルスの単粒子解析
　5　ブロックベース再構成法による巨大ウイルスの単粒子解析
　6　巨大ウイルス構造解析における制限とその克服
　7　おわりに
　第10節　副作用原因タンパク質hERG チャネル- アステミゾール複合体の構造解析 
　《浅井　樹，村田　武士》
　1　序　論
　2　hERG のcryo-EM 解析
　3　hERG アステミゾール複合体のcryo-EM 解析
　4　推定されるアステミゾールの結合メカニズム
　5　カリウムイオン結合サイトについて
　6　結　び
　第11節　腸内細菌由来天然薬物C-配糖体活性化酵素の構造解析
　《森　貴裕，阿部　郁朗》
　1　C-脱グリコシル化酵素複合体DgpB/C とDfgA/B
　2　DgpB/C とDfgA/B の試験管内酵素反応解析
　3　DgpB/C とDfgA/B の全体構造
　4　DgpB/C とDfgA/B の活性部位構造
　第12節　歯周病原細菌V 型線毛の構造解析 《柴田　敏史，松波　秀行》
　1　はじめに
　2　クライオ電子顕微鏡解析で次々と明らかとなる細菌線毛構造
　3　歯周病原細菌P. gingivalis のV 型線毛構造解析事例
　4　展望と課題
　第13節　脱窒菌由来の亜硝酸還元酵素の構造解析 《山口　峻英》
　1　銅型亜硝酸還元酵素の構造と機能
　2　銅型亜硝酸還元酵素のcryo-EM 構造
　第14節　クライオ電子顕微鏡で見る，リボソームの「かたち」と「動き」
　《伴野　詢太，田中　良和，横山　武司》
　1　はじめに：クライオ電子顕微鏡でリボソームの構造と機能を明らかにする
　2　電子顕微鏡観察と共に歩んだリボソームの構造解析の歴史
　3　クライオ電子顕微鏡を用いたリボソームの構造解析の特徴
　4　おわりに：リボソームの高分解能構造解析が可能にした，抗菌薬開発への取り組み
　第15節　Kv4 電位依存性カリウムチャネル複合体における
　ゲート開閉制御機構 《木瀬　孔明，濡木　理》
　1　イオンチャネル複合体のゲート開閉制御
　2　Kv4.2 単体とKv4.2-KChIP1 複合体の構造
　3　Kv4.2-DPP6S 複合体の構造
　4　Kv4.2-DPP6S-KChIP1 複合体の構造
　5　展　望

第5章　 MicroED による微結晶構造解析
第1節　低分子化合物結晶のMicroED 構造解析 《西山　裕介，青山　佳敬》
　1　はじめに
　2　サンプルの調製
　3　TEM の簡単な概念図
　4　TEM の設定
　5　視野の設定（結晶の粒の選択）
　6　回折パターンの観測
　7　試料傾斜しながらのデータ採取
　8　データ解析
　9　3D ED で得られた構造の問題点
　10　おわりに
　第2節　電子線三次元結晶構造解析 /3D ED/ マイクロED の解析事例
　《眞木　さおり，高場　圭章，米倉　功治》
　1　はじめに
　2　試料調製，電子回折データ収集
　3　実　例
　4　電子回折法の今後の取り組み
　5　おわりに

第6章　 PEET とRELION-4.0 を用いた連続構造体のクライオ電子
トモグラフィー～心筋Z 帯の解析を例として～ 《小田　賢幸》
　1　はじめに
　2　連続傾斜像の撮影
　3　トモグラム再構成
　4　PEET による平均化
　5　RELION による精密化
　6　おわりに
　

第7章　 ハードウエア・ソフトウエア
第1節　クライオ電子顕微鏡計測データからタンパク質の柔らかさを推定する
　AI システム「DEFMap」の開発 《松本　篤幸，徳久　淳師》
　1　序　論
　2　Cryo-EM 密度マップに潜む運動性情報
　3　三次元密度マップから運動性情報を抽出するための深層学習モデルの開発
　4　外部データに対する汎化性能
　5　DEFMap の構造生物学的研究に対する貢献
　6　DEFMap の優位性と現モデルにおける留意点
　7　今後の展望
　第2節　AI クライオEM データ測定 《米倉　功治》
　1　はじめに
　2　単粒子解析データ測定
　3　結晶回折パターンの回転測定
　4　その他の試み
　5　おわりに
　第3節　新 型冷陰極電界放出形クライオ電子顕微鏡の開発
　《應本　和也，金子　武司，飯島　寛文，大崎　暁弘，元木　創平》
　1　はじめに
　2　冷陰極電界放出形電子銃 （CFEG）
　3　クライオステージ
　4　自動試料搬送システム（CRYO SPECPORTER）
　5　オメガフィルター
　6　応用データ例
　7　結論（まとめ，おわりに）
　第4節　タンパク質結晶構造解析向け電子顕微鏡の開発 《新竹　積》
　1　はじめに
　2　何が難しいのか？
　3　電子顕微鏡の設計
　4　電子顕微鏡の構成と動作原理
　5　サンプルについて
　6　今後の展望

第8章　 企業におけるクライオ電子顕微鏡活用の取り組み
第1節　第一三共RDノバーレにおける創薬活用事例 《石井　亮平》
　1　はじめに
　2　RDノバーレでのクライオ電顕活用法
　3　展　望
　第2節　クライオ電子顕微鏡の産業用酵素開発への適用 《山口　浩輝》
　1　はじめに
　2　試料および測定
　3　味の素株式会社における具体例
　4　今後の展望
　第3節　クライオ電子顕微鏡の燃料電池開発への適用 《高橋　真一》
　1　燃料電池
　2　クライオ電子顕微鏡による触媒インクの構造解析
　3　クライオ電子顕微鏡による触媒インクの構造解析例
　4　燃料電池分野外へのクライオ電子顕微鏡法の展開と課題

参考資料
クライオ電子顕微鏡公的運用ネットワークと民間解析サービス

はじめに 《難波　啓一，加藤　貴之，牧野　文信》
クライオ電子顕微鏡施設 18拠点マップ，主要設備一覧

第1章　公的運用ネットワーク
参考資料1　北海道大学におけるクライオ電子顕微鏡支援
　《前仲　勝実，福原　秀雄，喜多　俊介》

参考資料2　 東北大学のクライオ電子顕微鏡法解析システムの紹介と解析支援 《小柴　生造》
　1　はじめに
　2　未来型医療創成センターのクライオ電子顕微鏡法解析システムの概要
　3　本システムの利用について
　4　おわりに

参考資料3　筑波大学におけるクライオ電子顕微鏡支援
　《原田　彩佳，岩崎　憲治》
　1　筑波大学のクライオ電子顕微鏡について
　2　筑波大学TARA クライオ電顕の利用方法
　3　今後の予定
　4　最後に

参考資料4　KEK におけるクライオ電子顕微鏡支援 《川崎　政人，千田　俊哉》
　1　支援の経緯
　2　支援の内容
　3　支援の今後

参考資料5　東京大学におけるクライオ電子顕微鏡支援
　《吉川　雅英，ダネブ・ラドスティン，柳澤　春明，齊藤　知恵子，伊藤　弓弦，滝沢　由政》
　1　クライオ電子顕微鏡施設と支援技術の概要
　2　支援の大まかな流れ
　3　支援技術の利用例
　4　支援担当者の研究概要
参考資料6　理研横浜 クライオ電子顕微鏡施設 《関根　俊一》

参考資料7　自然科学研究機構におけるクライオ電子顕微鏡支援
　《ソン・チホン，村田　和義》
　1　はじめに
　2　主要設備の概要（2022 年時点）
　3　施設の利用（2022 年時点）
　4　おわりに

参考資料8　京都大学医生物学研究所におけるクライオ電子顕微鏡支援
　《杉田　征彦，野田　岳志》
　1　はじめに
　2　京都大学医生物研究所のクライオ電子顕微鏡施設について
　3　おわりに

参考資料9　 大阪大学超高圧電子顕微鏡センターにおけるクライオ電子顕微鏡技術支援
　 《光岡　薫》
　1　はじめに
　2　特　徴
　3　おわりに

参考資料10　大阪大学大学院生命機能研究科における電子顕微鏡支援
　《難波　啓一，宮田　知子》
　1　クライオ電子顕微鏡施設と支援技術の概要
　2　支援技術の利用例
　3　最近の構造解析支援の成果例

参考資料11　大阪大学蛋白質研究所における電子顕微鏡支援 《加藤　貴之》
　1　はじめに
　2　クライオ電子顕微鏡および周辺装置の概要
　3　おわりに

参考資料12　兵庫県立大学におけるクライオ電子顕微鏡支援
　《宮澤　淳夫，伊藤　喜子，西野　有里》
　1　クライオ電子顕微鏡法ワークフロー支援
　2　研究支援できる専門領域・実験技術
　3　使用できる装置・機器
　4　電子顕微鏡トレーニング

参考資料13　SPring-8 におけるクライオ電子顕微鏡支援
　《重松　秀樹，熊坂　崇，山本　雅貴》
　1　はじめに
　2　クライオ電子顕微鏡へのアクセス
　3　講習会の開催について
　4　研究開発への取り組みについて
　5　おわりに

参考資料14　九州大学におけるクライオ電子顕微鏡支援 《真柳　浩太》
　1　九州大学のクライオ電子顕微鏡施設（馬出（病院）キャンパス）
　2　生体防御医学研究所のクライオ電子顕微鏡（FEI G2 Polara）
　3　薬 学研究院のクライオ電子顕微鏡（CRYO ARM 300 IIおよびCRYO ARM 200）
　4　おわりに

参考資料15　沖縄科学技術大学院大学の電子顕微鏡施設 《ブルーノ・ホンベル》
　1　電子顕微鏡
　2　クライオ電子顕微鏡
　3　単粒子解析法
　4　三次元構造解析
　5　クライオ電子顕微鏡研修
　6　イメージング施設の利用

第2章　民間解析サービス
参考資料16　キュライオにおけるクライオ電子顕微鏡を用いた
　自社創薬と創薬支援 《中井　基樹，小林　慶行》
　1　はじめに
　2　自社創薬研究事業
　3　創薬支援事業
　4　最後に

参考資料17　テラベース株式会社における
　クライオ電子顕微鏡の構造解析受託サービス 《香山　容子》
　1　はじめに
　2　依頼者の悩みに応える2 つの特徴
　3　タンパク質以外のサンプル観察

参考資料18　クライオ電子顕微鏡とトモグラフィー法による生体高分子の
　一分子構造解析受託サービス 《前川　あゆ美，亀井　朗》
　1　はじめに
　2　電子線トモグラフィー法
　3　OKPT 社の受託解析サービス

※ 本書に記載されている会社名，製品名，サービス名は各社の登録商標または商標です。
なお，必ずしも商標表示（®，TM）を付記していません。