タンパク質ドメイン

複数のモチーフが集まって、コンパクトで局所的な半独立単位であるドメインを形成します。^{[ 6 ]}ポリペプチド鎖の全体的な3D構造は、タンパク質の三次構造 と呼ばれます。ドメインは三次構造の基本単位であり、各ドメインは、ループ領域で接続された二次構造単位から構築された個々の疎水性コアを含んでいます。ポリペプチドのパッキングは通常、ドメインの外部よりも内部の方がはるかに密で、固体のようなコアと流体のような表面を形成します。^{[ 24 ]}コア残基はタンパク質ファミリーで保存されていることが多いのに対し、ループ内の残基は、タンパク質の機能に関与していない限り、保存性は低くなります。タンパク質の三次構造は、ドメインの二次構造の内容に基づいて、 4つの主要なクラスに分類できます。 ^{[ 25 ]}

• オールαドメインは、αヘリックスのみで構成されたドメインコアを持つ。このクラスは小さな折り畳み構造が主体であり、その多くはヘリックスが上下に走る単純な束を形成している。
• オールβドメインは、通常2枚のシートが互いに密着した逆平行βシートからなるコアを持つ。ストランドの配置にはさまざまなパターンが見られ、ギリシャ鍵モチーフなどの繰り返しモチーフが特定されることが多い。^{[ 26 ]}
• α+βドメインは、すべてαモチーフとすべてβモチーフの混合物です。他の3つのクラスとの重複があるため、タンパク質をこのクラスに分類することは難しく、そのためCATHドメインデータベースでは使用されていません。^{[ 15 ]}
• α/βドメインは、主に両親媒性αヘリックスに囲まれた平行βシートを形成するβ-α-βモチーフの組み合わせから構成される。二次構造は層状または樽状に配置されている。

ドメインにはサイズ制限がある。^{[ 27 ]}個々の構造ドメインのサイズは、E-セレクチンの36残基からリポキシゲナーゼ-1の692残基まで様々であるが、^{[ 18 ]}大部分の90%は200残基未満であり^{[ 28 ]} 、平均は約100残基である。^{[ 29 ]} 40残基未満の非常に短いドメインは、金属イオンまたはジスルフィド結合によって安定化されることが多い。300残基を超える大きなドメインは、複数の疎水性コアから構成されている可能性が高い。^{[ 30 ]}

多くのタンパク質は四次構造を持ち、これは複数のポリペプチド鎖が会合してオリゴマー分子を形成する構造である。このようなタンパク質における各ポリペプチド鎖はサブユニットと呼ばれる。例えば、ヘモグロビンは2つのαサブユニットと2つのβサブユニットから構成されている。4つの鎖はそれぞれ、ヘムポケットを持つ全αグロビン構造をとっている。

多ドメインタンパク質は、進化の過程で選択圧を受け、新たな機能を生み出すために出現したと考えられる。様々なタンパク質は、ドメインの異なる組み合わせや関連性によって共通の祖先から分岐してきた。モジュール単位は、遺伝子シャッフリングのメカニズムを通して、生物システム内およびシステム間で頻繁に移動する。

• 水平移動を含む可動要素の転座（種間）；^{[ 45 ]}
• 逆位、転座、欠失、重複などの大規模な再配列。
• 相同組換え;
• DNA複製中のDNAポリメラーゼの滑り。

タンパク質に見られる最も単純なマルチドメイン構造は、単一のドメインがタンデムに繰り返された構造である。^{[ 46 ]}ドメインは互いに相互作用する場合（ドメイン間相互作用）もあれば、紐に並んだビーズのように孤立したままの場合もある。巨大な30,000残基の筋肉タンパク質であるチチンは、約120個のフィブロネクチンIII型およびIg型ドメインから構成されている。^{[ 47 ]}セリンプロテアーゼでは、遺伝子重複イベントにより2つのβバレルドメイン酵素が形成された。^{[ 48 ]}繰り返し配列は非常に大きく分岐しているため、配列の類似性は明らかではない。活性部位は2つのβバレルドメイン間の溝に位置し、機能的に重要な残基は各ドメインから提供されている。キモトリプシンセリンプロテアーゼの遺伝子操作された変異体は、活性部位の残基が消失しているにもかかわらず、ある程度のプロテアーゼ活性を示すことが示されており、そのため重複イベントが酵素の活性を高めたと推測されている。^{[ 48 ]}

モジュールは、キネシンやABCトランスポーターに見られるように、さまざまな接続関係を示すことが多い。キネシンのモータードメインは、コイルドコイル領域とカーゴドメインを含むポリペプチド鎖の両端にあることができる。^{[ 49 ]} ABCトランスポーターは、ATP結合カセットと膜貫通モジュールという2つの無関係なモジュールからなる最大4つのドメインで構成され、さまざまな組み合わせで配置されている。

ドメインが組み換えられるだけでなく、ドメインが別のドメインに挿入された例も多数あります。他のドメインとの配列または構造の類似性は、挿入されたドメインと親ドメインの相同体が独立して存在できることを実証しています。例としては、Pol I ファミリーのポリメラーゼ内の「パーム」ドメインに挿入された「フィンガー」が挙げられます。^{[ 50 ]}ドメインが別のドメインに挿入される可能性があるため、マルチドメインタンパク質には常に少なくとも 1 つの連続したドメインが存在するはずです。これが、構造ドメインと進化/機能ドメインの定義の主な違いです。進化ドメインはドメイン間の接続が 1 つまたは 2 つに制限されますが、構造ドメインは、共通のコアが存在するという特定の基準内で無制限の接続を持つことができます。複数の構造ドメインが進化ドメインに割り当てられる可能性があります。

スーパードメインは、名目上は独立した起源を持つが、その後単一の構造的/機能的単位として継承された 2 つ以上の保存されたドメインから構成される。^{[ 51 ]}この結合したスーパードメインは、遺伝子重複だけでは関連付けられていない多様なタンパク質に存在し得る。スーパードメインの例としては、PTEN、テンシン、オーキシン、膜タンパク質 TPTE2 のタンパク質チロシンホスファターゼ– C2 ドメインペアが挙げられる。このスーパードメインは、動物、植物、菌類のタンパク質に見られる。PTP-C2 スーパードメインの重要な特徴は、ドメイン界面のアミノ酸残基の保存である。

タンパク質の折り畳み - 未解決の問題： 1960年代初頭のアンフィンセン の画期的な研究以来、 ^{[ 20 ]}ポリペプチドが安定な天然構造に急速に折り畳まれるメカニズムを完全に理解するという目標は未だに達成されていない。多くの実験的な折り畳み研究が我々の理解に大きく貢献してきたが、タンパク質の折り畳みを支配する原理は、折り畳みの最初の研究で発見されたものに基づいている。アンフィンセンは、タンパク質の天然状態は熱力学的に安定であり、その構造は自由エネルギーの全体的な最小値にあることを示した。

折り畳みは、タンパク質が生物学的に実行可能な時間スケールで折り畳まれることを可能にする、コンフォメーション空間の方向性のある探索である。レヴィンタールのパラドックスは、平均的なサイズのタンパク質が、最もエネルギーの低いコンフォメーションを見つける前にすべての可能なコンフォメーションをサンプリングすると、プロセス全体に数十億年かかると述べている。^{[ 52 ]}タンパク質は通常、0.1秒から1000秒以内に折り畳まれる。したがって、タンパク質の折り畳みプロセスは、特定の折り畳み経路に沿って何らかの方向に導かれる必要がある。この探索を方向付ける力は、反応のさまざまな段階でその影響が感じられる局所的および全体的な影響の組み合わせである可能性が高い。^{[ 53 ]}

実験的および理論的研究の進歩により、折り畳みはエネルギーランドスケープの観点から見ることができることが示されており、^{[ 54 ] [ 55 ]}折り畳み速度論は、タンパク質が折り畳まれた構造に向かう途中で通過する部分的に折り畳まれた構造のアンサンブルの漸進的な組織化として考えられています。これは、折り畳み漏斗の観点から説明されており、折り畳まれていないタンパク質には多数のコンフォメーション状態が利用可能であり、折り畳まれたタンパク質には利用可能な状態が少なくなります。漏斗は、タンパク質の折り畳みにおいて、三次構造の形成が増加するにつれてエネルギーが減少し、エントロピーが失われることを意味します。漏斗の局所的な粗さは、誤って折り畳まれた中間体の蓄積に対応する速度論的トラップを反映しています。折り畳み鎖は、コンパクトさを増すことによって、鎖内自由エネルギーが低くなる方向に進み

大きなタンパク質を構造ドメインで組織化することは、タンパク質の折り畳みに有利であり、各ドメインは個別に折り畳むことができ、折り畳みプロセスを加速し、潜在的に大きな残基相互作用の組み合わせを減らします。さらに、タンパク質中の疎水性残基のランダムな分布が観察されていることを考えると、^{[ 56 ]}ドメイン形成は、大きなタンパク質が疎水性残基を内部に埋め込み、親水性残基を表面に保持するための最適な解決策であると思われます。^{[ 57 ] [ 58 ]}

しかし、タンパク質の折り畳みと天然構造の安定化のエネルギー論におけるドメイン間相互作用の役割は、おそらくタンパク質ごとに異なる。T4リゾチームでは、一方のドメインが他方のドメインに及ぼす影響が非常に強いため、分子全体がタンパク質分解による切断に対して耐性を持つ。この場合、折り畳みは連続的なプロセスであり、初期段階ではC末端ドメインが独立して折り畳まれる必要があり、他方のドメインは折り畳まれたC末端ドメインの存在を折り畳みと安定化のために必要とする。^{[ 59 ]}

単離されたドメインの折り畳みは、統合されたドメインの折り畳みと同じ速度、あるいは場合によってはそれよりも速く起こることがわかっている^{[ 60 ]}。これは、折り畳み中にタンパク質の残りの部分との好ましくない相互作用が起こる可能性があることを示唆している。いくつかの議論では、大きなタンパク質の折り畳みで最も遅いステップは、折り畳まれたドメインのペアリングであると示唆されている^{[ 30 ]} 。これは、ドメインが完全に正しく折り畳まれていないか、相互作用に必要な小さな調整がエネルギー的に不利であるためである^{[ 61 ]}。たとえば、ドメイン界面から水を除去することなどである。

初期のアルゴリズムの 1 つ^{[ 66 ]}は、Cα-Cα 距離マップと、タンパク質を長さ 10 残基のいくつかの小さなセグメントとして扱う階層的クラスタリングルーチンを使用しました。最初のセグメントは、セグメント間の距離に基づいて順次クラスタリングされ、距離が最も短いセグメントがクラスタリングされ、その後は単一のセグメントとして扱われました。段階的なクラスタリングにより、最終的にタンパク質全体が含まれました。Go ^{[ 69 ]}は、ドメイン間の距離が通常ドメイン内の距離よりも大きいという事実も利用しました。すべての可能なCα-Cα 距離は、らせん、伸長したストランド、および二次構造の組み合わせに明確なパターンがある対角線プロットとして表されました。

SowdhaminiとBlundellの方法では、タンパク質の二次構造をCα-Cα距離に基づいてクラスタリングし、デンドログラムのパターンからドメインを識別します。^{[ 62 ]}この手順では、タンパク質を連続したアミノ酸鎖として考慮しないため、不連続なドメインの処理に問題はありません。これらのデンドログラムの特定のノードは、タンパク質の三次構造クラスターとして識別され、これには超二次構造とドメインの両方が含まれます。DOMAKアルゴリズムは、3Deeドメインデータベースを作成するために使用されます。^{[ 71 ]}このアルゴリズムは、タンパク質を任意に2つの部分に分割したときの各タイプの接触の数から「分割値」を計算します。この分割値は、構造の2つの部分が区別できる場合に大きくなります。

WodakとJaninの方法^{[ 74 ]}は、さまざまな残基位置で繰り返し切断された2つの鎖セグメント間の計算された界面領域に基づいていた。界面領域は、切断されたセグメントの表面積をネイティブ構造の表面積と比較することによって計算された。潜在的なドメイン境界は、界面領域が最小となる場所で特定できる。他の方法では、コンパクトさを計算するために溶媒接近性の尺度を使用している。^{[ 28 ] [ 75 ] [ 76 ]}

PUUアルゴリズム^{[ 19 ]}は、ドメイン間のダイナミクスを近似するために使用される調和モデルを組み込んでいます。基本的な物理的概念は、各ドメイン内では多くの剛体相互作用が発生し、ドメイン間では緩い相互作用が発生するというものです。このアルゴリズムは、FSSPドメインデータベースのドメインを定義するために使用されます。^{[ 70 ]}

スウィンデルズ（1995）は、ドメインは疎水性の内部を持つという考えに基づき、タンパク質構造中のドメインを識別するための手法であるDETECTIVEを開発した。異なるドメインの疎水性コアが界面領域を貫通して続く場合、欠陥が生じることがわかった。

RigidFinderは、2つの異なる立体構造からタンパク質の剛性ブロック（ドメインとループ）を識別するための新しい手法です。剛性ブロックとは、すべての残基間距離が立体構造間で保存されているブロックとして定義されます。

PanduranganとTopfによって開発されたRIBFIND法は、タンパク質の二次構造要素の空間クラスタリングを実行することにより、タンパク質構造中の剛体を特定します。^{[ 77 ]} RIBFIND剛体は、タンパク質構造をクライオ電子顕微鏡密度マップに柔軟に適合させるために使用されてきました。^{[ 78 ]}

動的ドメイン、すなわち構造変動の過程でほぼ剛体単位として振る舞うタンパク質領域を識別する一般的な方法が、Potestio らによって導入され^{[ 79 ]}、他のアプリケーションの中でも、動的ドメインの細分化と標準的な構造ベースの細分化の一貫性を比較するためにも使用されました。PiSQRD と呼ばれるこの方法は、ウェブサーバーの形で一般に公開されています^{[ 80 ]} 。このウェブサーバーを使用すると、ユーザーはシステムの集団的な変動モードに基づいて、単鎖または多量体タンパク質を準剛体ドメインに最適に細分化できます^{[ 79 ] [ 80 ]}。デフォルトでは、後者は弾性ネットワークモデルによって計算されます^{[ 81 ]} 。 あるいは、事前に計算された重要な動的空間をユーザーがアップロードすることもできます。

• アルマジロリピート：ショウジョウバエ（Drosophila melanogaster）のβ-カテニン様アルマジロタンパク質にちなんで名付けられました。
• 塩基性ロイシンジッパードメイン（bZIPドメイン）：多くの真核生物のDNA結合タンパク質に見られる。このドメインの一部には、配列特異的なDNA結合特性を媒介する領域と、 2つのDNA結合領域の二量体化に必要なロイシンジッパーが含まれる。DNA結合領域は、アルギニンやリジンなどの多数の塩基性アミノ酸から構成される。
• カドヘリン反復配列：カドヘリンはCa2 ⁺依存性の細胞間接着タンパク質として機能します。カドヘリンドメインは細胞外領域であり、隣接する細胞表面のカドヘリン間の細胞間同種結合を媒介します。
• デスエフェクタードメイン（DED）：同種相互作用（DED-DED）によるタンパク質間結合を可能にする。カスパーゼプロテアーゼは、タンパク質分解カスケードを介してアポトーシスを誘導する。プロカスパーゼ8とプロカスパーゼ9は、DEDドメインを介して特定のアダプター分子に結合し、カスパーゼの自己活性化につながる。
• EFハンド：シグナル伝達タンパク質カルモジュリンの各構造ドメインおよび筋タンパク質トロポニンCに見られるヘリックス・ターン・ヘリックス構造モチーフ。
• フォールドンドメイン： T4バクテリオファージのフィブリチン由来の小さなタンパク質ドメインで、タンパク質の三量体化を引き起こすことができる。
• 免疫グロブリン様ドメイン：免疫グロブリンスーパーファミリー（IgSF）のタンパク質に見られる。^{[ 82 ]}これらは約70～110個のアミノ酸からなり、サイズと機能に応じて異なるカテゴリー（IgV、IgC1、IgC2、IgI）に分類される。2つのβシートが「サンドイッチ」を形成し、保存されたシステインと他の荷電アミノ酸との相互作用によって安定化される特徴的な折り畳み構造を持つ。これらは細胞接着、細胞活性化、分子認識の過程におけるタンパク質間相互作用に重要である。これらのドメインは、免疫系で役割を果たす分子によく見られる。
• リン酸化チロシン結合ドメイン（PTB）：PTBドメインは通常、リン酸化されたチロシン残基に結合します。これらはシグナル伝達タンパク質によく見られます。PTBドメインの結合特異性は、リン酸化チロシンのアミノ末端側の残基によって決定されます。例：SHCとIRS-1のPTBドメインはどちらもNPXpY配列に結合します。SHCやIRS-1などのPTB含有タンパク質は、ヒト細胞のインスリン応答に重要です。
• プレクストリン相同ドメイン（PH）：PHドメインはホスホイノシチドに高い親和性で結合します。PtdIns (3)P、PtdIns(4)P、PtdIns(3,4)P2、PtdIns(4,5)P2、およびPtdIns(3,4,5)P3に対する特異性がすべて観察されています。ホスホイノシチドは（長い親油性尾部のため）様々な細胞膜に隔離されていることから、PHドメインは通常、問題のタンパク質を細胞シグナル伝達、細胞骨格の再編成、または膜輸送において特定の機能を発揮できる膜にリクルートします。
• Src相同性2ドメイン（SH2）：SH2ドメインはシグナル伝達タンパク質によく見られます。SH2ドメインはリン酸化チロシン（pTyr）への結合能を持ちます。このドメインは、チロシンキナーゼであるsrcウイルス癌遺伝子のホスホチロシン結合ドメインにちなんで名付けられました。SH3ドメインも参照してください。
• 亜鉛フィンガーDNA結合ドメイン（ZnF_GATA）：ZnF_GATAドメインを含むタンパク質は、通常、プロモーターのDNA配列[AT]GATA[AG]に結合する転写因子です。

• 国立バイオテクノロジーセンターのウェブサイトにある保存ドメイン
• 3D
• キャス
• ダリ
• Wayback Machineに掲載されている、タンパク質の構造ドメインの定義と割り当て（2006年9月11日アーカイブ）
• PFAMクランブラウザ

• インタープロ
• Pfam （米国議会図書館ウェブアーカイブ）（2011年5月6日アーカイブ）
• プロサイト
• プロドム
• 頭いい
• NCBI保存ドメインデータベース
• スーパーファミリーライブラリ：スーパーファミリーを表すHMMのライブラリと、全ゲノム配列が解読された生物の（スーパーファミリーおよびファミリー）アノテーションのデータベース

• dcGOは、機能、表現型、疾患に関するドメイン中心のオントロジーを網羅したデータベースです。