植物のRNA編集酵素の「はたらく姿」を初めてとらえた
～PPR-DYWタンパク質の結晶構造解析から、精密なC→U RNA編集の仕組みを解明～

2026年5月12日
九州大学
エディットフォース株式会社

①植物のミトコンドリアや葉緑体では、PPR-DYWタンパク質^※1がRNAの特定のC塩基をU塩基に精密に書き換えるRNA編集^※2を担っており、この仕組みは植物の生育に不可欠である。しかし、その精密な編集がどのような分子機構で行われるかは不明であった。
②PPR-DYWタンパク質が標的RNAと結合した状態の立体構造を世界で初めて決定し、PPRドメインとDYWドメインが連携して狙ったC塩基を正確に編集するメカニズムを解明した。
③本研究は、PPR-DYWタンパク質が持つ高い標的特異性の構造的基盤を初めて示すものであり、狙ったRNA配列を精密に編集できるツールの設計・開発への応用が期待される。

本研究グループ（九州大学）からのひとこと：
大型放射光施設SPring-8のビームラインを活用でき、今回のような「らせん状」の美しく印象的な構造を捉えることができました。2つのドメインが協力して精密なRNA編集が行われる仕組みが明らかとなり、研究の面白さを改めて実感しました。

植物の葉緑体やミトコンドリアでは、数百～数千か所にのぼるRNA編集が行われており、それぞれの編集部位に対応したPPR-DYWタンパク質が存在します。PPR-DYWタンパク質は、標的RNA配列を読み取るPPRドメインと、C塩基をU塩基へと変換するDYWドメインの2つのドメインから構成されています。各タンパク質が担当する編集部位を間違えることなく正確に編集することは、植物の正常な生育に不可欠です。

これまでの研究により、PPRドメインが標的RNA配列を認識するメカニズムや、DYWドメインの触媒機構については部分的な知見が得られていました。しかし、PPRドメインとDYWドメインの両方を含む完全長のPPR-DYWタンパク質の立体構造は得られておらず、2つのドメインがどのように連携して精密な編集を実現しているのか、その全体像は不明のままでした。

この課題を解決するため、本研究グループは生物情報学的手法を用いて設計した「コンセンサスPPR-DYWタンパク質」を作製し、X線結晶構造解析に挑みました。

本研究ではまず、RNA編集活性を持つコンセンサスPPR-DYWタンパク質を設計・作製しました。このタンパク質は大腸菌を用いた実験系において、標的RNA配列の狙ったC塩基を約90%という高い効率で編集し、かつ周辺のC塩基を誤って編集しないことを確認しました。

次に、大型放射光施設SPring-8を用いたX線結晶構造解析により、このタンパク質のRNA結合前と結合後の2つの立体構造を決定しました。これらを比較することで、RNA結合に伴って2つのドメインが適切な位置関係をとり、標的C塩基を触媒中心へと収める構造が形成されることを明らかにしました。

さらに、生化学的解析と組み合わせることで、PPRドメインが標的C塩基の上流配列を順番に読み取って結合し、続いてDYWドメインが適切な位置に配置されて標的C塩基をU塩基へと変換するという、段階的かつ精密な編集メカニズムを解明しました。

加えて、今回得られた構造情報をもとに自然界のPPR-DYWタンパク質のアミノ酸配列を解析したところ、本研究で重要と特定した残基の多くが高度に保存されていることが確認されました。これは、今回解明したメカニズムが自然界のPPR-DYWタンパク質にも広く共通することを示しています。

今回の構造解析により、PPR-DYWタンパク質が精密なRNA編集を実現する分子メカニズムの全体像が明らかになりました。PPR-DYWタンパク質はPPRドメインの配列設計によって標的RNA配列を自在に変更できる可能性を持つことから、狙ったRNA配列を精密に編集できるツールとしての応用が期待されます。今後は、本研究で得られた構造基盤をもとに、より効率的で高精度なRNA編集ツールの設計・開発を進めていきます。

本研究はJSPS科研費 (JP26K01682, JP26KJ1848, JP25H01276)の助成の支援を受けたものです。

【用語解説】

SPring-8のミリ秒高速rheo-SAXSでコロイド結晶の瞬間融解機構を解明
～ソフトマターは変化が遅いという常識を覆し、 1ミリ秒の構造変化を直接観測～

2026年5月14日
公益財団法人高輝度光科学研究センター(JASRI)
国立大学法人筑波大学
一般財団法人高度情報科学技術研究機構(RIST)
住友電気工業株式会社

〈本研究のポイント〉
・大型放射光施設SPring-8^※1のBL40XU/BL19B2に、せん断とX線散乱を同期させる放射光rheo-SAXS/USAXS測定系^※2を整備。
・不可逆に進むコロイド結晶のせん断融解を、1ミリ秒時間分解で連続観測。
・衝撃せん断では、流れ方向へ粒子が一時的に集まる一過性クラスタリングを伴う新しい融解機構を発見。

公益財団法人高輝度光科学研究センター(JASRI)の赤田圭史テニュアトラック研究員、岩本裕之研究員（研究当時）、関口博史主幹研究員、一般財団法人高度情報科学技術研究機構(RIST)の山田達矢氏（研究当時）、手島正吾氏、筑波大学の石橋諒一氏（大学院生）、小林幹佳准教授、藤田淳一教授、住友電気工業株式会社の大久保総一郎氏（研究当時）からなる共同研究グループは、大型放射光施設SPring-8のBL40XUおよびBL19B2において、せん断下の微粒子構造をその場観察する放射光rheo-SAXS/USAXS測定系を開発し、コロイド結晶^※3が衝撃的なせん断を受けた直後、わずか1ミリ秒で構造変化を開始する過程を直接観測することに成功しました。
不可逆に進むせん断融解を1ミリ秒時間分解で連続観測した放射光rheo-SAXSは世界に類例がなく、本成果は、ソフトマターの変化は緩慢だという従来のイメージを覆すものです。
さらに、衝撃せん断では粒子が流れ方向に一時的に集まるクラスタリングを伴って結晶が融解することを明らかにしました。SPring-8に整備した本計測基盤は、非平衡ソフトマターにおける瞬間的な相転移の解明や、コロイド材料の流動設計に役立つことが期待されます。
本研究成果は、5月8日に国際科学誌「Communications Chemistry」に掲載されました。

コロイド結晶は、サブマイクロメートルの粒子が規則正しく配列したソフトマターで、原子結晶の相転移を理解するモデル系として研究が進んでいます。しかし、流れやせん断によって結晶が崩れる「せん断融解」は、高速で不可逆に進行するため、とくに融解直後の過程は十分に理解されていませんでした。光学顕微鏡には試料の透明性や粒径サイズに制約があり、X線・中性子散乱では一般に露光時間が数十秒以上と長く、不可逆に進む高速現象の連続観測が難しいことが課題でした。

・測定系の開発
研究グループは、レオメーターとX線透過クエットセルを組み合わせ、BL40XUで1ミリ秒の時間分解SAXS、BL19B2で100ミリ秒の時間分解USAXSを実現しました。これにより、ナノメートルからマイクロメートルまでの構造情報をその場で連続追跡できるようになりました。

・定常せん断下の挙動
直径約500ナノメートルのシリカ粒子からなる高濃度懸濁液は、緩やかなせん断で結晶配列を形成します。せん断速度を徐々に上げた定常条件では、結晶性を示すブラッグピークがほぼ一様に弱まり、粒子配置の乱れを表す等方的な散乱が増加しました。これは、結晶全体が一様に無秩序化する通常のせん断融解を示しています。

・衝撃せん断下の新機構
これに対し、整列した結晶に衝撃的に高速なせん断を印加すると、開始後わずか1ミリ秒で一部のブラッグピーク強度が低下し、その後に等方的散乱が増加しました。この時間差は、まず流れ方向のクラスタリング構造を保持しながら渦度方向の秩序が壊れた後、全体が融解することを意味します。さらに粒子シミュレーションでも、結晶層が直線的に滑ることでこのクラスタリングが生じることが支持されました。

今回整備したミリ秒高速rheo-SAXS/USAXSは、これまでのソフトマターの「遅い」という先入観では捉えられなかったであろうソフトマターの超高速応答を解明する新しい研究基盤です。今後は、コロイド、ゲル、ペースト、スラリーなどの非平衡ダイナミクス解析へ展開し、材料設計やプロセス条件の最適化への応用が期待されます。

題名：Impact-shear-induced millisecond clustering during shear melting of colloidal crystals
日本語訳：衝撃せん断によってコロイド結晶のせん断融解中に生じるミリ秒クラスタリング
著者：Keishi Akada, Tatsuya Yamada, Ryoichi Ishibashi, Soichiro Okubo, Hiroyuki Iwamoto, Hiroshi Sekiguchi, Syogo Tejima, Motoyoshi Kobayashi and Jun-ichi Fujita
ジャーナル名：Communications Chemistry
DOI：10.1038/s42004-026-02004-8

本研究は、防衛装備庁「安全保障技術研究推進制度」(JPJ004596)、日本学術振興会科学研究費助成事業（JSPS科研費：23K13243、25K01164）、科学技術振興機構(JST)戦略的創造研究推進事業 ACT-X(JPMJAX24D2)の支援を受けて実施されました。なお、SAXS/USAXS実験は、大型放射光施設SPring-8のBL40XUおよびBL19B2において実施しました。

【用語解説】

見えてきたナノサイズ細孔の内部構造
～複合的な手法により高精度な構造解析を実現～

2026年5月14日
大阪公立大学

＜ポイント＞
① 従来の透過型電子顕微鏡を用いた電子線結晶学の手法に、高精度のX線回折データとMEM^※1という電子密度解析の手法を組み合わせることにより、分解能の高い構造解析を目指した。
② MCM-48^※2と呼ばれるシリカメソ多孔体に対して、Ar（アルゴン）ガスを吸着させた。
③ 細孔の3次元構造とArガスが吸着する過程を、従来の手法より精度の高い電子密度分布として初めて可視化することに成功。

＜研究者コメント＞
本研究の成果は、電子顕微鏡とX線回折の融合、さらにMOFの構造研究にも用いられている放射光粉末回折のガス吸着その場測定、MEM電子密度解析など、これまでに培ったさまざまな手法を組み合わせることにより得られました。精度の高い構造評価とガス吸着過程のモニタリングは、シリカメソ多孔体の応用研究に有用な知見を与えると期待しています。

＜研究の背景＞
シリカメソ多孔体は、2～50ナノメートルの大きさの規則的な細孔をもつ物質です。この細孔内には、分子を取り込むことができ、どのような分子を取り込めるかを調べるためには、細孔の構造を知ることが重要です。また、細孔内にガスが吸着するとき、ガスがどのようにして細孔に吸着するかを研究することも必要になります。これまで、シリカメソ多孔体の3次元的な細孔の構造を実験により調べるには、透過型電子顕微鏡を用いた電子線結晶学の手法しかありませんでした。

＜研究の内容＞
本研究では、従来の電子線結晶学の手法に、SPring-8の粉末結晶構造解析ビームラインBL02B2において測定した高精度のX線回折データを組み合わせることで、より分解能の高い構造解析を目指しました。まず、ジャイロイド構造をもつMCM-48と呼ばれるシリカメソ多孔体に対して、Ar（アルゴン）ガスを吸着させながら、その場X線回折実験^※3を行いました。そして、透過型電子顕微鏡データとX線回折データに加え、MEMという情報理論から発展した電子密度解析の手法を用いました。その結果、細孔の3次元構造とArガスが吸着する過程を、従来の手法より精度の高い電子密度分布として初めて可視化することに成功しました。

＜期待される効果・今後の展開＞
シリカメソ多孔体の細孔にガスを吸着させたり、薬剤を取り込ませたりすることにより、産業利用への研究が行われています。今回用いた解析手法は、細孔への物質の吸着状態や吸着プロセスをより詳しく観測する手助けとなるのみならず、別の種類のメソ多孔体の研究にも応用できると期待されます。

＜資金情報＞
本研究は、科学技術振興機構(JST)、科学研究費補助金基盤研究(C)（課題番号17510100）の支援を受けて実施しました。

【用語解説】

深層事前分布に基づくグリッド除去技術による軟X線角度分解光電子分光の抜本的高効率化
〜エネルギー分解能を損なわない高速/高精度観測環境を構築〜

2026年5月12日
公益財団法人高輝度光科学研究センター
国立大学法人電気通信大学
国立大学法人熊本大学

角度分解光電子分光(Angle-resolved photoemission spectroscopy: ARPES)は、物質中の電子が持つエネルギーを運動量の関数として測定し、物質の電子構造を直接可視化する強力な実験手法です。中でも、軟X線（SX、光子エネルギー: ~800 eV）を励起光として用いた軟X線ARPES (SX-ARPES)は、物質内部にも感度があり、物質の電子構造を3次元運動量空間に分解して観測できる特徴を有しています。しかし、微細な電子構造の観測に適した真空紫外光（VUV、光子エネルギー: ~40 eV） ARPES (VUV-ARPES)と比較すると、光電子放出の光イオン化散乱断面積^※3が1桁以上小さいため、長い測定時間が必要です。このため、表面酸化といった試料の経時変化や、励起光のエネルギー変動による分解能の悪化などの問題が起こりやすく、SX-ARPESユーザーは大きな負担を抱えながら実験を実施する必要がありました。

研究グループは、従来のエネルギー分解能を維持しつつ、より速く統計精度（S/N比）の高いARPESデータを獲得するため、静電半球型光電子分析器（アナライザー）に備わっている電圧固定測定モード(Fixed mode)に注目しました（図1）。このモードでは、光電子を検出するマルチチャンネルプレート(MCP)の検出領域に到達する光電子に限定して、運動エネルギーと放出角度を測定します。より広い運動エネルギー範囲を測定可能な電圧掃引モード(Swept mode)と比較して、高いS/N比のスペクトルを短い時間で取得できます。しかし、迷光電子^※4を遮断するための金属メッシュフィルターや検出ユニットの経年劣化によって、周期的なグリッド構造と非周期的なスパイク構造がデータ内に形成されます（図1）。これらがスペクトル解析を行う上で大きな障壁となっており、グリッド除去技術が必要不可欠でした。

研究グループは、SPring-8の軟X線固体分光ビームラインBL25SUに設置されているマイクロ集光SX-ARPESシステム(μSX-ARPES)に、「深層事前分布に基づくグリッド除去法」(Deep-Prior based Denoising Method: DPDM)を統合したシステムを構築しました（図2）。DPDMは、学習済みデータセットを必要としないトレーニングフリーの手法であり、4層U字型畳み込みニューラルネットワークの構造的特性を利用しています。DPDM専用PCを用意し、他のPCからリモート接続によってグリッド除去システムを操作することで、リアルタイム(約30秒)でグリッド除去が可能な環境を構築しました。ユーザーは平均二乗誤差で定義された損失関数を参照しながら最適なグリッド除去後の画像を選択します。

構築したシステムを用いて、以下のようにARPESデータ取得の超高効率化を実証しました。

超高効率測定の実証
重い電子系物質CeRu₂Si₂を対象としてFixed modeでARPES測定を行い、DPDMを適用した結果、40秒の積算時間のデータでも明瞭なスペクトルが得られ、バンド分散が識別できました。これまで、Swept modeで2700秒の測定時間を要していたことを考えると、90%以上の時間短縮が可能であることを実証しました（図3）。

不鮮明なバンド構造の抽出
結晶欠陥や電子間相互作用、そして熱的効果によって引き起こされる光電子の散乱は、バンド構造を不明瞭にすることがあります。VUV-ARPESにてバンド分散が不明瞭であることが報告されているフェリ磁性半導体Mn₃Si₂Te₆を対象としてDPDMを適用しました。グリッド除去後のデータでは、不明瞭だった複数のバンド構造が鮮明になり、それらのバンドに対応するピークをスペクトル上で捉えることに成功しました（図4）。これは、DPDMによってグリッド構造を除去したことで埋もれたスペクトル構造が顕在化したことを示しています。

本研究で開発されたDPDMによる超高効率μSX-ARPESシステムは、これまでのμSX-ARPESシステムの測定分解能を損なうことなく、測定時間の大幅短縮を可能にしました。今後、以下のような軟X線電子分光に関するブレークスルーが期待されます。

超高エネルギー分解能測定の実現
ARPESのエネルギー分解能は「光のエネルギー分解能」と「アナライザーのエネルギー分解能」の２つの要素で主に決まります。エネルギー分解能を良くするほど、高いS/N比を稼ぐためには長い測定時間が必要となります。これまでのμSX-ARPESシステムの標準的なエネルギー分解能はおよそ90 meVでしたが、DPDMを駆使することで、51.6 meVの超高分解能測定が可能となりました（図5）。今後、SPring-8-II計画^※5によって軟X線ビームの質が向上し、SX-ARPESのエネルギー分解能は世界最高レベルの30 meVを切ることが予測されます。この分解能はVUV-ARPESに匹敵する分解能であり、銅酸化物高温超伝導体の超伝導ギャップのエネルギースケールと対応します。今後、高温超伝導体の発現機構などに深く関わるフェルミ準位近傍の電子構造を3次元運動量空間で詳細に解明する道が開かれます。また、3 GeV高輝度放射光施設NanoTerasu^※6などの他の放射光施設へも展開することで、軟X線電子分光のブレークスルーが加速されると期待されます。

3次元非平衡電子構造の観測
SPring-8-II計画により、コヒーレント（光の波の位相が揃った状態）な放射光軟X線の利用が視野に入っています。例えば、SX-ARPESによって、外場（熱、光、電場、磁場）を印加された非平衡バルク電子構造の観測が可能になると考えられます。DPDMによる超高効率化は、次世代光源を用いた3次元非平衡電子構造ダイナミクス観測技術の開発にも大きく寄与することが期待されます。

本研究は、JSPS科研費 若手研究（課題番号：25K17944）およびJST PRESTO （助成番号JPMJPR25JA）の助成を受けて行われました。

【用語解説】