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'''分子置換'''（ぶんしちかん、{{lang-en-short|molecular replacement}}<ref>Ch 10 in "Principles of Protein X-ray Crystallography", by [[Jan Drenth]] (2nd Edn.) Springer, 1999</ref>、略称: MR）は、[[X線結晶構造解析]]における{{仮リンク|位相問題|en|Phase problem}}を解決する手法である。MRは、[[回折]]データの元となる未知の構造に類似した、既に構造が解かれた[[タンパク質構造]]が存在することを前提とする。このような構造は、[[相同]]性のあるタンパク質であったり、同じ{{仮リンク|タンパク質の核磁気共鳴分光法|en|Nuclear magnetic resonance spectroscopy of proteins|label=タンパク質の低分解能NMR構造}}であったりする<ref>{{cite journal |last1=Ramelot |first1=TA |last2=Raman |first2=S |last3=Kuzin |first3=AP |last4=Xiao |first4=R |last5=Ma |first5=LC |last6=Acton |first6=TB |last7=Hunt |first7=JF |last8=Montelione |first8=GT |last9=Baker |first9=D |last10=Kennedy |first10=MA |title=Improving NMR protein structure quality by Rosetta refinement: a molecular replacement study|journal=Proteins |date=April 2009 |volume=75 |issue=1 |pages=147–67 |doi=10.1002/prot.22229 |pmid=18816799 |pmc=3612016}}</ref>。

結晶学者の最初の目標は、[[電子密度]]マップを得ることである。密度と回折波の関係は以下の通りである。
<math>\rho(x,y,z)=\frac{1}{V}\sum_h\sum_k\sum_l|F_{hkl}|\exp(2\pi i(hx+ky+lz)+i\Phi(hkl))</math>

通常の検出器では、強度<math>I=F\cdot F^*</math>を測定しているので、位相に関する情報（<math>\Phi</math>）はすべて失われてしまう。そして、位相（<math>\Phi</math>）がなければ、X線結晶構造解析の実験データ（[[逆格子ベクトル|逆格子空間]]）と、原子モデルが組み込まれている実空間の電子密度との間の示された[[フーリエ変換]]が完成しないことになる。MRは、既知の構造の中で最も実験強度にフィットするモデルを見つけようとする。

==パターソンマップに基づく分子置換の原理==
我々は強度の[[パターソン関数|パターソンマップ]]を導き出すことができる。これは、構造因子の振幅を2乗し、すべての位相をゼロにして作成した原子間ベクトルマップである。このベクトルマップには、他のすべての原子に関連する各原子のピークが含まれており、0,0,0に大きなピークがあり、ここでは原子自身に関連するベクトルが「積み重なる」ことになる。このようなマップは、高解像度の構造情報を得るにはあまりにもノイズが多すぎる。しかし、未知の構造から得られたデータと、過去に解かれた同種の構造から得られたデータに対して、[[単位胞]]内の正しい方向と位置でパターソンマップを作成すると、2つのパターソンマップは密接に相関するはずである。この原理がMRの核心であり、未知の分子の単位胞内での向きや位置に関する情報を推論することができる。

歴史的に計算能力に限界があったため、MRの探索は通常、[[回転]]と[[並進]]の2つの段階に分けて行われる。

===回転関数===
回転関数では、未知のパターソンマップを、既知のホモログ構造から得られた異なる方向のパターソンマップと比較する。歴史的には{{仮リンク|R因子 (結晶構造解析)|en|R-factor (crystallography)|label=R因子}}と[[相関係数]]のいずれか一方または両方が回転関数のスコアに使用されていたが、最近のプログラムでは[[最尤法]]ベースのアルゴリズムが使用されている。2つの構造（既知および未知）が類似した配向にある場合、最も高い相関関係（したがってスコア）が得られる。この相関関係は、[[オイラー角]]または[[球面座標系|球面極]]角で出力できる。

===並進関数===
並進機能では，正しく配向された既知のモデルを，非対称ユニット内の正しい座標に並進させることで，正しく配置することができる．これは、モデルを移動させ、新しいパターソンマップを計算し、それを未知のパターソンマップと比較することで達成される。このような[[力まかせ探索]]は計算コストが高いため、現在では高速な並進関数が一般的に使用されている。相関性の高い位置は[[直交座標系]]で出力される。

==''De novo''予測構造の分子置換への利用==
''De novo''[[タンパク質構造予測]]の向上に伴い、MR-Rosetta、QUARK、AWSEM-Suite、I-TASSER-MRなどの多くのプロトコルが、分子置換による位相問題の解決に有用なネイティブに近いデコイ構造を大量に生成することができるようになった<ref>{{cite journal |last1=Jin |first1=Shikai |last2=Miller |first2=Mitchell D. |last3=Chen |first3=Mingchen |last4=Schafer |first4=Nicholas P. |last5=Lin |first5=Xingcheng |last6=Chen |first6=Xun |last7=Phillips |first7=George N. |last8=Wolynes |first8=Peter G. |title=Molecular-replacement phasing using predicted protein structures from AWSEM-Suite |journal=IUCrJ |date=1 November 2020 |volume=7 |issue=6 |pages=1168–1178 |doi=10.1107/S2052252520013494|pmid=33209327 |pmc=7642774 |doi-access=free }}</ref>。

==次の段階==
この後、正しく方向づけられ、並進された位相モデルができ、そこから電子密度マップを導き出すのに十分な精度の位相を導き出すことができるはずである。このモデルを使って、未知の構造の原子モデルを構築し、改良することができる。

==出典==
{{Reflist}}

==関連項目==
* [[AlphaFold]]

==外部リンク==
*[http://www.phaser.cimr.cam.ac.uk/ Phaser] - One of the most commonly used molecular replacement programmes.
*[http://www.ccp4.ac.uk/html/molrep.html Molrep] -  Molecular replacement package within [[Collaborative Computational Project Number 4|CCP4]]
* [http://www.pdbe.org/quips?story=Phaser Phaser article] at [http://www.pdbe.org PDBe] - A helpful public domain introduction to the topic.

{{DEFAULTSORT:ふんしちかん}}
[[Category:結晶学]]
[[Category:X線]]