アイソザイム

生化学において、アイソザイム（アイソエンザイムまたはより一般的には酵素の複数の形態としても知られる）は、アミノ酸配列が異なるが同じ化学反応を触媒する酵素である。アイソザイムは通常、異なる速度論的パラメータ（異なるK _M値など）を持つか、または異なって制御される。アイソザイムは、特定の組織または発達段階の特定のニーズを満たすために代謝を微調整することを可能にする。

多くの場合、アイソザイムは、時間の経過とともに分岐した相同遺伝子によってコード化されます。厳密に言えば、同じ反応を触媒する異なるアミノ酸配列を持つ酵素は、異なる遺伝子によってコード化されている場合はアイソザイム、同じ遺伝子の異なる対立遺伝子によってコード化されている場合はアロザイムです。この 2 つの用語は、しばしば互換的に使用されます。

アイソザイムは、RLハンターとクレメント・マーカート（1957）によって初めて記述され、彼らはそれを、同一の機能を持ち、同一の個体に存在する同じ酵素の異なる変異体として定義しました。^[1] この定義には、（1）異なる遺伝子の産物であり、したがって異なる遺伝子座を表す酵素変異体（アイソザイムと呼ばれる）と、（2）同じ遺伝子の異なる対立遺伝子の産物である酵素（アロザイムと呼ばれる）が含まれます。^[2]

アイソザイムは通常、遺伝子重複の結果であるが、倍数体化または核酸ハイブリダイゼーションによっても生じる。進化の過程で、新しい変異体の機能が元のものと同一のままであれば、突然変異が蓄積するにつれてどちらかが失われ、擬似遺伝子が生じる可能性がある。しかし、突然変異が直ちに酵素の機能を妨げるのではなく、酵素の機能または発現パターンのいずれかを変更する場合、2つの変異体は両方とも自然選択によって好まれ、異なる機能に特化する可能性があります。^[3]たとえば、それらは異なる発達段階で発現したり、異なる組織で発現したりすることがあります。^[4]

アロザイムは、遺伝子のコード配列に影響を及ぼす点突然変異または挿入欠失 (インデル) イベントによって生じることがあります。他の新しい突然変異と同様に、新しいアロザイムには次の 3 つのことが起こる可能性があります。

• 新しい対立遺伝子は機能しない可能性が高く、その場合適応度が低くなり、自然選択によって集団から除去される可能性が高い。^[5]
• あるいは、変化したアミノ酸残基が酵素の比較的重要でない部分（例えば、活性部位から遠く離れた部分）にある場合、突然変異は選択的に中立であり、遺伝的浮動の影響を受ける可能性がある。^[6]
• 稀なケースでは、突然変異によってより効率的な酵素や、わずかに異なる化学反応を触媒できる酵素が生成される可能性があり、その場合、突然変異によって適応度が向上し、自然選択によって有利になる可能性があります。^[6]

アイソザイムの一例としては、グルコキナーゼがあります。これはヘキソキナーゼの変異体で、グルコース 6-リン酸によって阻害されません。他のヘキソキナーゼと比較して、その異なる調節特性とグルコースに対する親和性が低いため、膵臓のベータ細胞によるインスリン放出の制御や、肝細胞によるグリコーゲン合成の開始など、特定の臓器の細胞でさまざまな機能を果たすことができます。これらのプロセスは両方とも、グルコースが豊富な場合にのみ発生します。

1.)乳酸脱水素酵素は、H型とM型の2つの異なるサブユニットからなる四量体です。これらは組織に応じて異なる組み合わせで結合します。 ^[7]

2.) クレアチンホスホキナーゼのアイソザイム：^[7]クレアチンキナーゼ（CK）またはクレアチンホスホキナーゼ（CPK）は、リン酸クレアチンからクレアチンへの相互変換を触媒します。

CPKには3つのアイソザイムが存在する。各アイソザイムは2つのサブユニットM（筋肉）、B（脳）またはその両方の二量体である^[7]

3.) アルカリホスファターゼのアイソザイム: ^[7] 6つのアイソザイムが同定されています。酵素はモノマーであり、アイソザイムは炭水化物含有量(シアリン酸残基)の違いによります。最も重要なALPアイソザイムは、α1-ALP、α2-熱不安定ALP、α2-熱安定性ALP、プレβALP、γ-ALPです_。α2-熱_不安定ALP_の上昇は肝炎を示唆し、プレβALPは骨疾患を示唆します。

アイソザイム（およびアロザイム）は、同じ酵素の変異体です。基質や酵素反応速度論などの生化学的性質が同一でない限り、生化学分析によって区別することができます。しかし、このような違いは通常微妙であり、特に中立変異体であることが多い アロザイム間では顕著です。機能が大きく異なる 2 つの酵素がアイソザイムとして識別される可能性は低いため、この微妙さは予想どおりです。

アイソザイムは機能がほぼ同一である一方、他の点では異なる場合がある。特に、酵素の電荷を変えるアミノ酸置換はゲル電気泳動で簡単に特定でき、これがアイソザイムを分子マーカーとして使用する基礎となっている。アイソザイムを特定するには、動物または植物の組織を抽出緩衝液で粉砕して粗タンパク質抽出物を作成し、ゲル電気泳動で抽出物の成分を電荷に応じて分離する。歴史的には、これは通常、ジャガイモデンプンから作られたゲルを使用して行われてきたが、アクリルアミドゲルの方が分解能が高い。

組織由来のすべてのタンパク質がゲル内に存在するため、個々の酵素は、その機能と染色反応を結び付けるアッセイを使用して特定する必要があります。たとえば、検出は、テトラゾリウム塩などの可溶性指示薬色素の局所的な沈殿に基づいて行うことができます。テトラゾリウム塩は、酵素活性ゾーンで生成されるNADやNADPなどの補因子によって還元されると不溶性になります。このアッセイ法では、酵素が分離後も機能している必要があります (ネイティブゲル電気泳動)。これは、アイソザイムを実験技術として使用する上で最大の課題となります。

アイソザイムは速度論的に異なります（ K _{M 値}と V _max値が異なります）。

集団遺伝学は、本質的には集団内および集団間の遺伝的変異の原因と影響を研究する学問であり、過去には、この目的でアイソザイムが最も広く使用されていた分子マーカーの 1 つでした。現在では、より情報量の多いDNAベースのアプローチ (直接DNA 配列決定、一塩基多型、マイクロサテライトなど) に大きく取って代わられていますが、アイソザイムは依然として開発が最も迅速で安価なマーカー システムの 1 つであり、交配システムの定量化など、低レベルの遺伝的変異のみを識別する必要があるプロジェクトには(2005 年現在^{[アップデート]}) 優れた選択肢となっています。

• シトクロムP450アイソザイムは代謝とステロイド生成において重要な役割を果たします。
• ホスホジエステラーゼの多様な形態は、さまざまな生物学的プロセスでも重要な役割を果たします。個々の細胞にはこれらの酵素の複数の形態が見つかっていますが、酵素のこれらのアイソフォームは生物のさまざまな細胞に不均等に分布しています。臨床的観点からは、これらは選択的に活性化および阻害されることがわかっており、この観察から治療に使用されています。

• Hunter, RL; Merkert, CL (1957). 「デンプンゲルにおけるゾーン電気泳動で分離された酵素の組織化学的実証」。Science . 125 (3261): 1294–1295. doi :10.1126/science.125.3261.1294-a. PMID  13432800。
• Weiss, B.; Hait, WN (1977). 「潜在的な治療薬としての選択的環状ヌクレオチドホスホジエステラーゼ阻害剤」Annu. Rev. Pharmacol. Toxicol . 17 : 441–477. doi :10.1146/annurev.pa.17.040177.002301. PMID  17360.
• Wendel, JF、NF Weeden。1990 年。「植物アイソザイムの視覚化と解釈」DE SoltisおよびPS Soltis編『植物生物学におけるアイソザイム』pp. 5～45。Chapman and Hall、ロンドン。
• Weeden, NF、JF Wendel。1990 年、「植物アイソザイムの遺伝学」、DE SoltisおよびPS Soltis編『植物生物学におけるアイソザイム』 46 ～ 72 ページ。Chapman and Hall、ロンドン
• Crawford, DJ. 1989. 「酵素電気泳動と植物系統学」、DE SoltisおよびPS Soltis編『植物生物学におけるアイソザイム』pp. 146–164。Dioscorides 、オレゴン州ポートランド。
• Hamrick, JL、および MJW Godt。1990 年、「植物種におけるアロザイムの多様性」、AHD Brown、MT Clegg、AL Kahler、BS Weir 編『植物集団遺伝学、育種、遺伝資源』、 pp. 43～63。Sinauer 、Sunderland
• 生化学、ジェレミー・M・バーグ、ジョン・L・ティモツコ、ルバート・ストライアー著（序文はこの教科書から引用）

特定の

• アロザイム電気泳動法 - デンプンゲル電気泳動の完全ガイド
• 新しいアイソザイム特異的治療薬の開発 - 脂肪酸ジオキシゲナーゼとエイコサノイドホルモン（エストニア）