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融合タンパク質またはキメラタンパク質（文字通り、異なる由来の部分から作られたもの）は、もともと別々のタンパク質をコードしていた2つ以上の遺伝子が結合して作られたタンパク質です。この融合遺伝子の翻訳により、元のタンパク質のそれぞれに由来する機能特性を持つ1つまたは複数のポリペプチドが生成されます。組換え融合タンパク質は、生物学的研究や治療に使用するために、組換えDNA技術によって人工的に作られます。キメラまたはキメラは通常、異なる機能または物理化学的パターンを持つポリペプチドからなるハイブリッドタンパク質を指します。キメラ変異タンパク質は、染色体転座、タンデム重複、レトロトランスポジションなどの複雑な突然変異によって、2つの異なる遺伝子のコード配列の一部を含む新しいコード配列が作られると自然に発生します。自然発生的な融合タンパク質は、がん細胞でよく見られ、がんタンパク質として機能する可能性があります。bcr -abl融合タンパク質は、がん性融合タンパク質のよく知られた例であり、慢性骨髄性白血病の主要ながん原性ドライバーと考えられています。
融合タンパク質の中には、ペプチド全体を結合させたものがあり、そのため元のタンパク質のすべての機能ドメインを含んでいる。しかし、他の融合タンパク質、特に自然界に存在するものは、コード配列の一部のみを結合させたものであり、そのため、それらを形成した親遺伝子の本来の機能を維持していない。
多くの完全遺伝子融合は完全に機能し、元のペプチドを置き換えることができます。しかし、中には2つのタンパク質間の相互作用によって機能が変化するものもあります。これらの影響に加えて、一部の遺伝子融合は、遺伝子の作用するタイミングや場所を変えるような調節変化を引き起こす可能性があります。部分遺伝子融合の場合、異なる活性部位や結合ドメインのシャッフリングによって、新しい機能を持つタンパク質が生成される可能性があります。
宿主細胞内のタンパク質に蛍光タグを融合させる方法は、実験的な細胞生物学研究において、タンパク質の相互作用をリアルタイムで追跡するために広く用いられている技術です。最初の蛍光タグである緑色蛍光タンパク質（GFP）は、オワンクラゲ（Aequorea victoria）から単離され、現代の研究でも頻繁に使用されています。より新しい派生品としては、光変換蛍光タンパク質（PCFP）があり、これは最初に花虫類（ Anthozoa ）から単離されました。最も一般的に使用されているPCFPはKaede蛍光タグですが、2005年に開発されたKikume green-red（KikGR）は、より明るいシグナルとより効率的な光変換を実現しています。PCFP蛍光タグを使用する利点は、重複する生化学経路の相互作用をリアルタイムで追跡できることです。タグは、タンパク質が経路内の目的の地点に到達すると緑色から赤色に変化し、経路の進行に伴って変化するタンパク質をモニタリングすることができます。この技術は、Gタンパク質共役受容体（GPCR）のリサイクル経路を研究する際に特に有用です。リサイクルされたGタンパク質受容体の運命は、緑色の蛍光タグで標識されて細胞膜に送られてリサイクルされるか、赤色の蛍光タグで標識されてリソソームに送られて分解されるかのいずれかである。[ 2 ]
医薬品開発において融合タンパク質を作成する目的は、それぞれの「親」タンパク質の特性を、結果として得られるキメラタンパク質に付与することにある。現在、いくつかのキメラタンパク質医薬品が医療用途で利用可能となっている。
多くのキメラタンパク質医薬品は、標的分子に対する特異性がマウスを用いて開発されたモノクローナル抗体であり、そのため当初は「マウス」抗体と呼ばれていました。マウス抗体は非ヒトタンパク質であるため、ヒトに投与すると免疫反応を引き起こす傾向があります。キメラ化プロセスでは、抗体分子のうちヒト抗体と区別される部分を遺伝子操作によって置換します。例えば、ヒトの定常ドメインを導入することで、治療標的に対する特異性を変えることなく、免疫原性を持つ可能性のある部分のほとんどを除去できます。抗体命名法では、この種の修飾は一般名に「-xi-」を挿入することで示されます（例：abci- xi -mab）。可変ドメインの一部もヒト由来の部分に置換すると、ヒト化抗体が得られます。概念的にはキメラと区別されませんが、このタイプは「-zu-」を用いて示されます（例：dacli -zu -mab ）。その他の例については、モノクローナル抗体のリストを参照してください。
キメラ抗体やヒト化抗体に加えて、キメラ構造体の作成には他の医薬品用途もあります。例えば、エタネルセプトは、腫瘍壊死因子受容体（TNFR）と免疫グロブリンG 1 Fcセグメントの組み合わせによって作成されたTNFα阻害剤です。TNFRは薬剤標的への特異性を提供し、抗体Fcセグメントは薬剤の安定性と送達性を向上させると考えられています。[ 3 ]治療用途に使用されるその他のキメラタンパク質には、次のものがあります。
組換え融合タンパク質とは、融合遺伝子の遺伝子工学的手法によって作製されるタンパク質です。通常、この手法では、まず第一のタンパク質をコードするcDNA配列から終止コドンを除去し、次に第二のタンパク質のcDNA配列をライゲーションまたはオーバーラップ伸長PCRによってフレーム内に付加します。こうして作製されたDNA配列は、細胞内で単一のタンパク質として発現されます。このタンパク質は、元の2つのタンパク質の完全な配列を含むように設計することも、どちらか一方の配列の一部のみを含むように設計することも可能です。
2つの実体がタンパク質である場合、多くの場合、リンカー（または「スペーサー」）ペプチドも追加され、これによりタンパク質が独立して折り畳まれ、期待どおりに振る舞う可能性が高まります。特にリンカーがタンパク質の精製を可能にする場合、タンパク質またはペプチド融合体のリンカーには、2つの別々のタンパク質を遊離させるプロテアーゼまたは化学物質の切断部位が設計されることがあります。この技術は、GSTタンパク質、FLAGペプチド、またはヘキサヒスチジンペプチド（6xHisタグ）を融合させてタンパク質を同定および精製するためによく使用され、ニッケルまたはコバルト樹脂を用いたアフィニティークロマトグラフィーで分離できます。二量体または多量体のキメラタンパク質は、人工的なタンパク質の二量体化または多量体化を誘導するペプチドドメイン（例えば、ストレプトアビジンまたはロイシンジッパー）を元のタンパク質に融合させることにより、遺伝子工学によって製造できます。融合タンパク質は、疾患の発症を研究するために、毒素または抗体を結合させて製造することもできます。水素化酵素プロモーター P SHは、緑色蛍光タンパク質 ( gfp)レポーター遺伝子を使用してP SHプロモーター-gfp融合を構築することにより研究された。[ 4 ]
新しい組換え技術により、バイオ検出、製紙・食品産業、バイオ医薬品など、さまざまな分野で使用できる融合タンパク質の設計を改善することが可能になりました。最近の改良では、単一のペプチドまたはタンパク質断片を既存のタンパク質のN末端やC末端などの領域に融合させており、次の特性を向上させることが知られています。[ 5 ]
組換えタンパク質設計の初期の応用例は、アフィニティークロマトグラフィーにおけるタンパク質の精製に単一ペプチドタグを使用することに記録されています。それ以来、蛍光タンパク質タグから組換え融合タンパク質医薬品まで、さまざまな用途向けにさまざまな融合タンパク質設計技術が開発されてきました。一般的に使用されている3つの設計技術には、タンデム融合、ドメイン挿入、および翻訳後結合が含まれます。[ 6 ]
目的のタンパク質は、タンパク質間のN末端またはC末端の融合によって単純に末端同士で連結されます。これにより、融合パートナー間に十分な空間を確保して適切な折り畳みを保証する柔軟なブリッジ構造が提供されます。しかし、ペプチドのN末端またはC末端は、組換えタンパク質の目的の折り畳みパターンを得る上で重要な構成要素であることが多く、この場合、ドメインの単純な末端同士の結合は効果的ではありません。このため、目的のタンパク質ドメインの機能を維持するために、タンパク質リンカーが必要になることがよくあります。[ 6 ]
この技術は、目的の構造を単一のポリペプチド鎖にコード化することによって連続するタンパク質ドメインを融合させるものですが、場合によってはドメインを別のドメイン内に挿入する必要があるかもしれません。この技術は、目的の遺伝子内で適切な連結部位を見つけるのが難しいため、一般的にタンデム融合よりも実行が難しいと考えられています。 [ 6 ]
この技術は、他の組換え技術で使用される翻訳前の遺伝子融合とは異なり、目的のタンパク質のリボソーム翻訳後にタンパク質ドメインを融合させる。 [ 6 ]
タンパク質リンカーは、ドメイン間に適切な間隔を提供することで融合タンパク質の設計を助け、N末端またはC末端の相互作用が折り畳みに重要な場合に正しいタンパク質の折り畳みをサポートします。一般的に、タンパク質リンカーは重要なドメイン間の相互作用を可能にし、安定性を強化し、立体障害を軽減するため、N末端とC末端が融合できる場合でも、融合タンパク質の設計での使用が好まれます。リンカーには、柔軟性、剛性、および生体内切断可能な3つの主要なタイプがあります。[ 6 ] [ 7 ]
自然発生的な融合遺伝子は、染色体転座によって一方の遺伝子の末端エクソンが他方の遺伝子の完全なエクソンに置き換わることで最も一般的に生成されます。これにより、転写、スプライシング、翻訳を経て機能的な融合タンパク質を産生する単一の遺伝子が生成されます。多くの重要な癌促進性癌遺伝子は、このようにして生成された融合遺伝子です。
例としては以下のようなものがあります。
抗体はV(D)J組換えによって生成される融合タンパク質である。
また、自然界に存在するポリペプチドの中には、明確に定義された 2 つのモジュールが融合したものと思われる稀な例もあり、それぞれのモジュールは他のモジュールとは独立して、特徴的な活性や機能を発揮します。主な例としては、マラリア原虫Plasmodium falciparumの二重 PP2C キメラがあり、それぞれの PP2C モジュールがタンパク質ホスファターゼ 2C 酵素活性を示します[ 8 ]。また、多くの単細胞生物 (原生動物寄生虫やフラボバクテリアなど) に存在し、全長のシクロフィリンおよびFKBPシャペロン モジュールを含む二重ファミリーのイムノフィリンもあります[ 9 ] [ 10 ] 。このようなキメラの進化上の起源は依然として不明です。