四量体タンパク質

四量体タンパク質は、4 つのサブユニット (テトラマー) の四次構造を持つタンパク質です。ホモ四量体は 4 つの同一のサブユニット(グルタチオン S トランスフェラーゼなど) を持ち、ヘテロ四量体は異なるサブユニットの複合体です。四量体は、2 つのホモ二量体サブユニット (ソルビトール脱水素酵素など) または 2つのヘテロ二量体サブユニット (ヘモグロビンなど)を持つ二量体の二量体として組み立てられます。

四量体におけるサブユニット相互作用

テトラマーを形成するサブユニット間の相互作用は、主に非共有結合によって決まります。^[1] 疎水効果、水素結合、静電相互作用が、サブユニット間のこの結合プロセスの主な原因です。ソルビトールデヒドロゲナーゼ(SDH)などのホモテトラマータンパク質の場合、その構造は進化の過程でモノマーからダイマー、そして最終的にテトラマー構造へと進化したと考えられています。SDH や他の多くのテトラマー酵素の結合プロセスは、結合と解離の速度から判断できる自由エネルギーの増加によって説明できます。 ^[1] 上の画像は、SDH の 4 つのサブユニット (A、B、C、D) のアセンブリを示しています。

サブユニット間の水素結合

サブユニット間の水素結合ネットワークは、四量体四次タンパク質構造の安定性に重要であることが示されています。たとえば、タンパク質配列アラインメント、構造比較、エネルギー計算、ゲル濾過実験、酵素反応速度論実験などのさまざまな方法を使用したSDHの研究では、哺乳類SDHの四量体四次構造を安定化する重要な水素結合ネットワークを明らかにすることができました。^[1]

免疫学における四量体

免疫学では、MHCテトラマーはテトラマーアッセイで使用され、抗原特異的T細胞（特にCD8 + T細胞）の数を定量化できます。MHCテトラマーは、細菌BirAの作用によりビオチン化された組み換えクラスI分子に基づいています。これらの分子は、目的のペプチドおよびβ2Mとともに折り畳まれ、蛍光標識されたストレプトアビジンによってテトラマー化されます。（ストレプトアビジンは分子あたり4つのビオチンに結合します。）このテトラマー試薬は、特定のペプチド-MHC複合体に特異的なT細胞受容体を発現するT細胞を特異的に標識します。たとえば、Kb / FAPGNYPALテトラマーは、C57BL / 6マウスのセンダイウイルス特異的細胞傷害性T細胞に特異的に結合します。抗原特異的応答は、すべてのCD8 +リンパ球の一部としてのCD8 +、テトラマー+ T細胞として測定できます。

単一の標識付きMHCクラスI分子ではなくテトラマーを使用する理由は、テトラヘドロンテトラマーは一度に3つのTCRに結合できるため、典型的なクラスIペプチド-TCR相互作用の親和性が低い（1マイクロモル）にもかかわらず、特異的結合が可能になるためです。MHC クラスIIテトラマーも作成できますが、実際には扱いが難しいです。^[2]

ホモ四量体とヘテロ四量体

ホモテトラマーは、4つの同一のサブユニットが結合してできたタンパク質複合体で、共有結合はしていない。^[3]逆に、ヘテロテトラマーは、1つ以上のサブユニットが異なる4つのサブユニット複合体である。^[4]

ホモテトラマーの例としては、以下のものがあります。

β-グルクロニダーゼのような酵素（写真）
大腸菌のSecBなどの輸出因子^[5]
CorAなどのマグネシウムイオントランスポーター^[6]
コンカナバリンAなどのレクチン
IMPDHとIMPDH2

ヘテロ四量体の例としては、ヘモグロビン（写真）、NMDA受容体、一部のアクアポリン、^[7]一部のAMPA受容体、一部の酵素などがあります。^[8]

ヘテロ四量体の精製

イオン交換クロマトグラフィーは、特定のヘテロ四量体タンパク質アセンブリを単離するのに有用であり、荷電ペプチドタグの数と位置に応じて特定の複合体を精製することができる。 ^[9]^[10] ニッケルアフィニティークロマトグラフィーもヘテロ四量体の精製に用いられることがある。^[11]

遺伝子内補完

遺伝子によってコードされるポリペプチドの複数のコピーは、しばしば多量体と呼ばれる集合体を形成することがある。特定の遺伝子の 2 つの異なる変異対立遺伝子によって生成されるポリペプチドから多量体が形成される場合、混合多量体は、それぞれの変異体単独で形成される非混合多量体よりも高い機能活性を示すことがある。混合多量体が非混合多量体と比較して機能性が高まった場合、この現象は遺伝子内補完と呼ばれる。ヒトでは、アルギニノコハク酸リアーゼ(ASL) はホモテトラマー酵素であり、遺伝子内補完を受けることができる。ヒトの ASL 障害は、ASL遺伝子の変異、特にテトラマー酵素の活性部位に影響を及ぼす変異によって発生することがある。ASL 障害は、臨床的および遺伝的異質性がかなり伴い、これは異なる個々の患者間で発生する広範な遺伝子内補完を反映していると考えられる。^[12]^[13]^[14]

参考文献

^ abc Hellgren M、Kaiser C、de Haij S、Norberg A、Höög JO (2007 年 12 月)。「哺乳類ソルビトール脱水素酵素の水素結合ネットワークは四量体状態を安定化し、触媒力に不可欠である」。細胞および分子生命科学。64 (23): 3129–3138。doi : 10.1007 / s00018-007-7318-1。PMC 11136444。PMID 17952367。S2CID 22090973 。
^ Dolton G、Tungatt K、Lloyd A、Bianchi V、Theaker SM、Trimby A、et al. (2015年9月)。「テトラマーを使ったさらなるトリック：ペプチド-MHCマルチマーによるT細胞染色の実用ガイド」。免疫学。146 ( 1 ) : 11–22。doi :10.1111 / imm.12499。PMC 4552497。PMID 26076649。
^ 「GO用語：タンパク質ホモテトラマー化」。YeastGenome。2011年9月27日時点のオリジナルよりアーカイブ。2011年5月14日閲覧。
^ 「GO用語：タンパク質ヘテロ四量体化」。YeastGenome。2011年9月27日時点のオリジナルよりアーカイブ。2011年5月14日閲覧。
^ Watanabe M, Blobel G (1989年4月). 「大腸菌から精製された細胞質因子はプレタンパク質の輸出に必要かつ十分であり、SecBのホモテトラマーである」。米国科学アカデミー紀要。86 (8): 2728–2732。Bibcode : 1989PNAS ... 86.2728W。doi : 10.1073/ pnas.86.8.2728。PMC 286991。PMID 2649892 。
^ Warren MA、Kucharski LM、Veenstra A、Shi L、Grulich PF 、 Maguire ME (2004 年 7 月) 。「CorA Mg2+ トランスポーターはホモテトラマーです」。Journal of Bacteriology。186 (14): 4605–4612。doi : 10.1128 / JB.186.14.4605-4612.2004。PMC 438605。PMID 15231793。
^ Neely JD、Christensen BM、Nielsen S、Agre P (1999 年 8 月)。「アクアポリン 4 水チャネルのヘテロ四量体構成」。生化学。38 ( 34 ): 11156–11163。doi :10.1021/bi990941s。PMID 10460172 。
^ Chang TH、Hsieh FL、Ko TP、Teng KH、Liang PH、Wang AH (2010 年 2 月)。「ミント (Mentha piperita) 由来のヘテロ四量体ゲラニルピロリン酸合成酵素の構造はサブユニット間の調節を明らかにする」。The Plant Cell。22 ( 2 ): 454–467。doi :10.1105 / tpc.109.071738。PMC 2845413。PMID 20139160。
^ Sakash JB、 Kantrowitz ER (2000年9 月)。「大腸菌アスパラギン酸トランスカルバモイラーゼの T 状態と R 状態の安定化に対する個々の鎖間相互作用の寄与」。The Journal of Biological Chemistry。275 ( 37): 28701–28707。doi : 10.1074/jbc.M005079200。PMID 10875936。
^ Fairhead M、Krndija D、Lowe ED、 Howarth M (2014 年 1 月)。「定義された二価ストレプトアビジンによるプラグアンドプレイペアリング」。Journal of Molecular Biology。426 ( 1): 199–214。doi : 10.1016/ j.jmb.2013.09.016。PMC 4047826。PMID 24056174。
^ Howarth M、Chinnapen DJ、Gerrow K、 Dorrestein PC、Grandy MR、Kelleher NL、他 (2006 年 4 月)。「単一のフェムトモルビオチン結合部位を持つ一価ストレプトアビジン」。Nature Methods。3 ( 4 ) : 267–273。doi :10.1038/nmeth861。PMC 2576293。PMID 16554831。
^ Turner MA、Simpson A、McInnes RR 、 Howell PL (1997 年 8 月)。「ヒトアルギニノコハク酸リアーゼ: 遺伝子内相補性の構造的基礎」。米国科学アカデミー紀要。94 (17): 9063–9068。Bibcode : 1997PNAS ... 94.9063T。doi : 10.1073/ pnas.94.17.9063。PMC 23030。PMID 9256435 。
^ Yu B、 Howell PL (2000 年 10 月)。「遺伝子内補完とアルギニノコハク酸リアーゼの構造と機能」。細胞および分子生命科学。57 (11): 1637–1651。doi :10.1007/PL00000646。PMC 11147086。PMID 11092456。S2CID 1254964 。
^ Yu B、Thompson GD、Yip P、Howell PL、Davidson AR（2001年12月）。「ヒトアルギニノコハク酸リアーゼ遺伝子座における遺伝子内補完のメカニズム」。生化学。40 （ 51 ）：15581–15590。doi ：10.1021/bi011526e。PMID 11747433 。

外部リンク

T細胞グループ - カーディフ大学

[pmid19177216-1] Hellgren M、Kaiser C、de Haij S、Norberg A、Höög JO (2007 年 12 月)。「哺乳類ソルビトール脱水素酵素の水素結合ネットワークは四量体状態を安定化し、触媒力に不可欠である」。細胞および分子生命科学。64 (23): 3129–3138。doi : 10.1007 / s00018-007-7318-1。PMC 11136444。PMID 17952367。S2CID 22090973 。

[2] Dolton G、Tungatt K、Lloyd A、Bianchi V、Theaker SM、Trimby A、et al. (2015年9月)。「テトラマーを使ったさらなるトリック：ペプチド-MHCマルチマーによるT細胞染色の実用ガイド」。免疫学。146 ( 1 ) : 11–22。doi :10.1111 / imm.12499。PMC 4552497。PMID 26076649。

[3] 「GO用語：タンパク質ホモテトラマー化」。YeastGenome。2011年9月27日時点のオリジナルよりアーカイブ。2011年5月14日閲覧。

[4] 「GO用語：タンパク質ヘテロ四量体化」。YeastGenome。2011年9月27日時点のオリジナルよりアーカイブ。2011年5月14日閲覧。

[5] Watanabe M, Blobel G (1989年4月). 「大腸菌から精製された細胞質因子はプレタンパク質の輸出に必要かつ十分であり、SecBのホモテトラマーである」。米国科学アカデミー紀要。86 (8): 2728–2732。Bibcode : 1989PNAS ... 86.2728W。doi : 10.1073/ pnas.86.8.2728。PMC 286991。PMID 2649892 。

[6] ^ Warren MA、Kucharski LM、Veenstra A、Shi L、Grulich PF 、 Maguire ME (2004 年 7 月) 。「CorA Mg2+ トランスポーターはホモテトラマーです」。Journal of Bacteriology。186 (14): 4605–4612。doi : 10.1128 / JB.186.14.4605-4612.2004。PMC 438605。PMID 15231793。

[7] Neely JD、Christensen BM、Nielsen S、Agre P (1999 年 8 月)。「アクアポリン 4 水チャネルのヘテロ四量体構成」。生化学。38 ( 34 ): 11156–11163。doi :10.1021/bi990941s。PMID 10460172 。

[8] Chang TH、Hsieh FL、Ko TP、Teng KH、Liang PH、Wang AH (2010 年 2 月)。「ミント (Mentha piperita) 由来のヘテロ四量体ゲラニルピロリン酸合成酵素の構造はサブユニット間の調節を明らかにする」。The Plant Cell。22 ( 2 ): 454–467。doi :10.1105 / tpc.109.071738。PMC 2845413。PMID 20139160。

[9] ^ Sakash JB、 Kantrowitz ER (2000年9 月)。「大腸菌アスパラギン酸トランスカルバモイラーゼの T 状態と R 状態の安定化に対する個々の鎖間相互作用の寄与」。The Journal of Biological Chemistry。275 ( 37): 28701–28707。doi : 10.1074/jbc.M005079200。PMID 10875936。

[10] ^ Fairhead M、Krndija D、Lowe ED、 Howarth M (2014 年 1 月)。「定義された二価ストレプトアビジンによるプラグアンドプレイペアリング」。Journal of Molecular Biology。426 ( 1): 199–214。doi : 10.1016/ j.jmb.2013.09.016。PMC 4047826。PMID 24056174。

[11] ^ Howarth M、Chinnapen DJ、Gerrow K、 Dorrestein PC、Grandy MR、Kelleher NL、他 (2006 年 4 月)。「単一のフェムトモルビオチン結合部位を持つ一価ストレプトアビジン」。Nature Methods。3 ( 4 ) : 267–273。doi :10.1038/nmeth861。PMC 2576293。PMID 16554831。

[pmid9256435-12] ^ Turner MA、Simpson A、McInnes RR 、 Howell PL (1997 年 8 月)。「ヒトアルギニノコハク酸リアーゼ: 遺伝子内相補性の構造的基礎」。米国科学アカデミー紀要。94 (17): 9063–9068。Bibcode : 1997PNAS ... 94.9063T。doi : 10.1073/ pnas.94.17.9063。PMC 23030。PMID 9256435 。

[pmid11092456-13] ^ Yu B、 Howell PL (2000 年 10 月)。「遺伝子内補完とアルギニノコハク酸リアーゼの構造と機能」。細胞および分子生命科学。57 (11): 1637–1651。doi :10.1007/PL00000646。PMC 11147086。PMID 11092456。S2CID 1254964 。

[pmid11747433-14] Yu B、Thompson GD、Yip P、Howell PL、Davidson AR（2001年12月）。「ヒトアルギニノコハク酸リアーゼ遺伝子座における遺伝子内補完のメカニズム」。生化学。40 （ 51 ）：15581–15590。doi ：10.1021/bi011526e。PMID 11747433 。