コイルコイル

コイルドコイルは、2～7個の^[1] αヘリックスがロープの撚り線のように巻かれたタンパク質の構造モチーフです。（二量体と三量体が最も一般的です。）およそ5～10%のタンパク質に見られ、さまざまな機能を持っています。^[2]タンパク質間相互作用で見られるモチーフの中で最も普及しているものの1つです。タンパク質の研究を支援するために、タンパク質構造中のコイルドコイルを予測するツールがいくつか開発されています。^{[3]多くのコイルドコイル型タンパク質は、}遺伝子発現の調節など重要な生物学的機能に関与しています（例：転写因子）。注目すべき例としては、がんタンパク質のc-Fosとc-Jun 、筋肉タンパク質のトロポミオシンなどがあります。

α-ケラチンのコイルドコイルの可能性は、当初は多少議論を呼んでいた。ライナス・ポーリングとフランシス・クリックは、ほぼ同時期に、それぞれ独立して、これが可能であるという結論に達した。1952 年の夏、ポーリングはクリックが働いていたイギリスの研究室を訪れた。ポーリングとクリックは会って、さまざまな話題について話し合った。あるとき、クリックはポーリングが「コイルドコイル」について考えたことがあるかと尋ねた (この用語はクリックが考案した)。ポーリングは考えたことがあると答えた。米国に戻ると、ポーリングはこのテーマについての研究を再開した。彼はコイルドコイルが存在すると結論し、 10 月にネイチャー誌に長い原稿を提出した。ポーリングの息子ピーター・ポーリングはクリックと同じ研究室で働いており、その報告を彼に伝えた。クリックはポーリングが自分のアイデアを盗んだと考え、ポーリングの原稿が届いた数日後にネイチャー誌に短いメモを提出した。最終的に、いくつかの論争と頻繁なやり取りの後、クリックの研究室は、このアイデアは両研究者によって独立して導き出されたものであり、知的窃盗は発生していないと発表した。^[4] クリックは、短いため最初に発表されたノートの中で、コイルドコイルとその構造を決定する数学的手法を提案した。^{[5]驚くべきことに、これは}ライナス・ポーリングと同僚が1951年にアルファヘリックスの構造を提案した直後のことである。^[6]これらの研究は、ケラチン配列に関する知識がないまま発表された。最初のケラチン配列は、1982年にハヌコグルとフックスによって決定された。^{[7] [8]}

配列と二次構造予測解析に基づいて、ケラチンのコイルドコイルドメインが同定されました。^[8]これらのモデルは、ケラチンのコイルドコイルドメインの構造解析によって確認されています。^[9]

コイルドコイルには通常、疎水性 ( h ) および荷電 ( c )アミノ酸残基の繰り返しパターンhxxhcxcが含まれており、これはヘプタドリピートと呼ばれます。^[10] ヘプタドリピート内の位置は通常abcdefgとラベル付けされ、ここでaおよびd は疎水性位置であり、多くの場合、イソロイシン、ロイシン、またはバリンによって占められています。この繰り返しパターンを持つ配列をアルファヘリックス二次構造に折りたたむと、疎水性残基が「ストライプ」として提示され、左巻きの方法でヘリックスの周りに緩やかに巻き付き、両親媒性構造を形成します。このような2つのヘリックスが細胞質の水で満たされた環境で自分自身を配置するための最も好ましい方法は、疎水性ストランドを親水性アミノ酸の間に挟んで互いに巻き付けることです。このように、疎水性表面の埋没がオリゴマー化の熱力学的駆動力を提供する。コイルドコイル界面のパッキングは非常にタイトで、a残基とd残基の側鎖間のファンデルワールス接触はほぼ完全である。このタイトなパッキングは、 1952年にフランシス・クリックによって最初に予測され^{[5] 、}ノブからホールへのパッキングと呼ばれている。

αヘリックスは平行または反平行であり、通常は左巻きのスーパーコイルを採用します（図1）。好ましくないが、自然界や設計されたタンパク質では、右巻きのコイルドコイルもいくつか観察されています。^[11]

コイルドコイルドメインは、多種多様なタンパク質ファミリーのかなりの数のタンパク質に共通しているため、細胞内でタンパク質がさまざまな機能を果たすのに役立ちます。その主な機能は、タンパク質間相互作用を促進し、タンパク質またはドメインを連結したままにすることです。この機能は、膜融合、分子間隔、オリゴマー化タグ、小胞運動、タンパク質の移動の補助、細胞構造など、いくつかのサブ機能に対応しています。^[12]

コイルドコイルドメインはHIV感染において役割を果たしている。CD4陽性細胞へのウイルスの侵入は、糖タンパク質120（gp120）の3つのサブユニットがCD4受容体と共受容体に結合することで始まる。^[13] 糖タンパク質gp120は、ファンデルワールス相互作用を介してgp41の三量体と密接に関連している。最終的に、gp41のN末端融合ペプチド配列は宿主細胞に固定される。バネ仕掛けのメカニズムが、ウイルスと細胞膜を十分に近づけて融合させる役割を果たしている。バネ仕掛けのメカニズムの起源は、タンパク質のN末端の融合ペプチドに続く2つの連続したヘプタドリピート（HR1とHR2）を含む露出したgp41内にある。 HR1は平行な三量体コイルドコイルを形成し、その上にHR2領域が巻き付いて三量体ヘアピン（または6ヘリックスバンドル）構造を形成し、膜同士を近づけることで膜融合を促進します。^[14]その後、ウイルスは細胞内に侵入し、複製を開始します。最近、gp41上のHR1領域に結合するFuzeon （DP178、T-20）などのHR2由来の阻害剤が開発されました。 ^[15]しかし、HR1由来のペプチドは溶液中で凝集する傾向があるため、ウイルス阻害効果がほとんどありません。これらのHR1由来ペプチドとGCN4ロイシンジッパーのキメラが開発され、 Fuzeonよりも活性が高いことが示されています。^[16]

SNAP-25、シナプトブレビン、シンタキシン1の各タンパク質はαヘリックスを持ち、それらが相互作用してコイルドコイルSNARE複合体を形成します。ドメインをジッパーで閉じることで、小胞融合に必要なエネルギーが供給されます。^[17]

コイルドコイルモチーフは、細胞内の2つの物体間のスペーサーとしても機能します。これらの分子スペーサーコイルドコイルドメインの長さは高度に保存されています。これらの分子スペーサーの目的は、タンパク質ドメインを分離して相互作用を防ぐこと、または細胞内の小胞を分離して小胞輸送を仲介することです。この最初の目的の例は、T. maritimaで見つかったOmp-αです。^[18]他のタンパク質は小胞を離して保持し、例えばp115、ジャイアンチン、GM130はコイルドコイルモチーフを介して相互作用し、ゴルジ体と近くの小胞との間の鎖として機能します。^[19]小胞をゴルジ体につなぐこの活動に関連するタンパク質ファミリーは、ゴルジンとして知られています。^{[20]最後に、}細胞分裂中に染色体を分離した状態に保つキネトコアに関与するコイルドコイルドメインを持つタンパク質がいくつかあります。これらのタンパク質にはNdc-80やNuf2pが含まれる。関連タンパク質は細胞分裂中に微小管と相互作用し、その変異は細胞死につながる。^[21]

コイルドコイルは、その特異的な相互作用により、特定のオリゴマー化状態を安定化または強化するための「タグ」として使用できます。^[22]コイルドコイル相互作用は、BBSomeのBBS2サブユニットとBBS7サブユニットのオリゴマー化を促進することが観察されています。^{[23] [24]}コイルドコイルは一般に他のコイルドコイルと相互作用するため、より多くのコピーを持つ二量体または四量体を形成する必要があるタンパク質に見られます。^[25]タンパク質のオリゴマー化を 促進する能力があるため、合成ナノ構造の形成に使用することも研究されています。^[26]

アミノ酸配列が与えられた場合にタンパク質の折り畳み構造を決定する一般的な問題（いわゆるタンパク質折り畳み問題）は、部分的にしか解決されていません。しかし、コイルドコイルは、配列と最終的な折り畳み構造との関係が比較的よく理解されている比較的少数の折り畳みモチーフの1つです。^{[28] [29]} Harburyらは、典型的なコイルドコイルであるGCN4を使用して画期的な研究を行い、ペプチド配列がオリゴマー状態（つまり、最終的なアセンブリ内のαヘリックスの数）に影響を与える方法を支配するルールを確立しました。^{[30] [31]} GCN4コイルドコイルは、31アミノ酸（4ヘプタド強に相当）の平行な二量体（すなわち、2つのアルファヘリックスからなる）コイルドコイルであり、a位置とd位置にそれぞれイソロイシン（または1文字コードではI ）とロイシン（L）が繰り返され、二量体コイルドコイルを形成します。a位置とd位置のアミノ酸が、aのIとdのLから、 aのIとdのIに変更されると、三量体（3つのアルファヘリックス）コイルドコイルが形成されました。さらに、Lをaに、 Iをdに切り替えると、四量体（4つのアルファヘリックス）コイルドコイルが形成されました。これらは、コイルドコイルのオリゴマー状態を決定するための一連のルールを表しており、科学者がオリゴマー化挙動を効果的に「調整」することを可能にします。コイルドコイルの組み立てに関して比較的よく理解されているもう1つの側面は、少なくとも二量体コイルドコイルの場合、極性残基（特にアスパラギン、N）を反対のa位置に配置すると、コイルドコイルの平行組み立てが強制されるという点である。この効果は、これらの残基間の自己補完的な水素結合によるもので、Nが、例えば反対のヘリックス上のLと対になった場合、この結合は満たされない。^[32]

最近、ピーコック、ピクラメノウらは、ランタニド(III)イオンをテンプレートとしてコイルドコイルを自己組織化することで、新しいイメージング剤を生成できることを実証した。 ^[33]

コイルドコイルモチーフは、そのシンプルなデザインと、主にタンパク質間相互作用を促進することに基づいた幅広い機能のため、ナノ構造の可能性のある構成要素として実験されてきました。コイルドコイルドメインを含む新しいタンパク質を新規に合成するためのシンプルなガイドラインにより、薬物送達、組織の再生、タンパク質折り紙など、多くの用途が想定されています。^[34]薬物送達に関しては、コイルドコイルドメインは、化学療法薬が標的に輸送される際に健康な組織に漏れるのを防ぐことで、化学療法薬の危険性の一部を克服するのに役立ちます。コイルドコイルドメインは、特定のタンパク質または細胞表面マーカーに結合するように作成できるため、薬物送達のより正確な標的化が可能になります。^[35] その他の機能としては、コイルドコイルモチーフの連結によってナノチューブやその他の構造を作成することで、そうでなければ急速に分解する体内での薬物の保管と輸送を助けることが挙げられます。^[34]コイルドコイルドメインを介したタンパク質のオリゴマー化機能を利用することで、ワクチン中の抗原提示を増幅し、ワクチンの効果を高めることができる。^[36]

コイルドコイルモチーフのオリゴマー化により、タンパク質折り紙やタンパク質ビルディングブロックを作成できます。この研究分野では、金属-リガンド相互作用、共有結合、イオン相互作用が、起こり得るコイルドコイル相互作用を操作するために研究されてきました。^[34]コイルドコイルモチーフを組み合わせて自己組織化ビルディングブロックにすることで、いくつかの異なるナノ構造を作成できます。ただし、安定性にはいくつかの困難が残っています。^[37]コイルドコイルモチーフを持つペプチドを足場として使用することで、細胞培養用の3D構造を簡単に作成できるようになりました。これらのペプチドを使用して3Dハイドロゲルを作成し、細胞をマトリックスにロードすることができます。^[38]これは、組織、組織工学などの研究に応用されています。^[34]

• ケラチンのコイルドコイルドメイン

• Spiricoil は、タンパク質配列からコイルドコイルとオリゴマー状態を予測します( archive.today 、2012-12-23 アーカイブ)
• NCOILS at archive.today (2002-01-11 アーカイブ)
• ペアコイル2 / ペアコイル
• bCIPAはコイルドコイルペアのTm値を推定する
• bCIPA ライブラリ スクリーンは、単一の定義済みターゲットに対してシーケンスのライブラリをスクリーニングし、すべてのコイルドコイル ペアの Tm 値を推定します。
• bCIPA インタラクトーム スクリーンは、定義された一連のシーケンス間のすべての相互作用をスクリーニングし、すべてのコイルドコイル ペアの Tm 値を推定します。
• STRAP には、AA シーケンスからコイルドコイルを予測するアルゴリズムが含まれています。
• ProOCoil は、コイルドコイルタンパク質のオリゴマー化を予測し、全体的なオリゴマー傾向に対する各アミノ酸の寄与を視覚化します。
• DrawCoil は、任意のオリゴマー化状態および方向のコイルドコイルのらせんホイール図を作成します。

• Spiricoilはタンパク質ドメインの注釈を使用して、完全に配列されたすべての生物のコイルドコイルの存在とオリゴマー状態を予測します。
• CC+は2011-11-08にWayback Machineでアーカイブされてお​​り、 PDBにあるコイルドコイルのリレーショナルデータベースです。
• 専門家がキュレーションしたSCOPコイルドコイルクラスに基づいて、完全に配列されたすべての生物のSUPERFAMILYタンパク質ドメインアノテーション