酵素の乱交

酵素の乱交性とは、酵素が主反応に加えて予期せぬ副反応を触媒する能力のことである。酵素は極めて特異的な触媒であるが、主たる本来の触媒活性に加えて副反応を起こすことがよくある。これらの乱交活性は通常、主活性に比べて遅く、中立選択下にある。通常は生理学的に無関係であるにもかかわらず、新たな選択圧の下では、これらの活性は適応度の利点をもたらす可能性があり、そのため以前は乱交的であった活性が新たな主活性となるように進化を促す。^[1]その一例は、Pseudomonas sp.由来のアトラジンクロロヒドロラーゼ（atzAコード）である。メラミンデアミナーゼ（triAコード）から進化したADPは、人工化学物質であるアトラジンに対して非常に小さな乱交活性を示す。^[2]

酵素は、特定の基質に対して高い触媒効率（k _cat /K _M、ミカエリス・メンテン反応速度論を参照）で特定の反応を触媒するように進化しました。しかし、この主な活性に加えて、酵素は一般に数桁低い他の活性も有しており、これは進化的選択の結果ではなく、したがって生物の生理機能に関与していません。^{[注 1]} この現象により、無差別な活性が新しい選択圧下で適応度の利点をもたらし、その複製と新しい主な活性としての選択につながるため、新しい機能が得られます。

複製と特殊化の順序を予測する理論モデルはいくつか存在するが、実際のプロセスはより複雑に絡み合っていて曖昧である（§再構築された酵素については後述）。^[3]一方で、遺伝子増幅は酵素濃度の増加をもたらし、制限的な規制からの自由をもたらす可能性があるため、酵素の乱交活性の反応速度（ v ）が増加し、その効果が生理学的により顕著になる（「遺伝子投与効果」）。 ^[4]他方、酵素は、一次活性をほとんど失うことなく二次活性を増加させる（「堅牢性」）可能性があり、適応的な衝突もほとんどない（§堅牢性と可塑性については後述）。^[5]

4つの異なる加水分解酵素（ヒト血清パラオキソナーゼ（PON1）、シュードモナスホスホトリエステラーゼ（PTE）、タンパク質チロシンホスファターゼ（PTP）、ヒト炭酸脱水酵素II（CAII））の研究では、主な活動は変化に対して「堅牢」であるのに対し、雑多な活動は弱く、より「可塑性」があることが示されています。具体的には、主な活動ではない活動（指向性進化経由）を選択すると、最初は主な活動が減少することはありませんが（したがって堅牢性）、選択されていない活動（したがって可塑性）に大きな影響を与えます。^[5]

Pseudomonas diminuta由来のホスホトリエステラーゼ（PTE）は、18ラウンドでアリルエステラーゼ（P–OからC–Oへの加水分解酵素）に進化し、特異性（K _M比）が10 ⁹シフトしましたが、ほとんどの変化は最初のラウンドで発生し、選択されなかった残留PTE活性は保持され、進化したアリルエステラーゼ活性が増加しました。一方、後半のラウンドでは、残留PTE活性の喪失とアリルエステラーゼ活性の増大のトレードオフが少しありました。^[6]

これは、第一に、専門酵素（単機能）が進化すると、汎用段階（多機能）を経て、おそらくIADモデルに従った遺伝子複製の後に再び専門酵素になること、第二に、雑多な活動が主な活動よりも可塑性が高いことを意味します。

酵素の進化の最も最新かつ最も明確な例は、過去 60 年間のバイオレメディエーション酵素の出現です。アミノ酸の変化が非常に少ないため、これらは自然界における酵素の進化を調査するための優れたモデルとなります。しかし、現存する酵素を使用して酵素ファミリーがどのように進化したかを判断すると、2 つの遺伝子が分岐する前の祖先の本当の正体がわからないまま、新しく進化した酵素がパラログと比較されるという欠点があります。この問題は、祖先再構築のおかげで解決できます。1963 年にライナス ポーリングとエミール ツッカーカンドルによって初めて提案された祖先再構築は、遺伝子群の祖先形態から遺伝子を推論および合成するものであり^{[7]、推論技術の改善[8]}と低コストの人工遺伝子合成^[9]により最近復活し、いくつかの祖先酵素 (一部では「ステムザイム」と呼ばれています^[10])が研究対象となっています。^[11]

再構築された酵素から得られた証拠は、遺伝子進化の理論モデルが示唆するものとは異なり、新規活性が改善され遺伝子が複製されるイベントの順序は明確ではないことを示唆しています。

ある研究では、哺乳類の免疫防御プロテアーゼファミリーの祖先遺伝子は、現代のパラログファミリーよりも幅広い特異性と高い触媒効率を持っていたことが示されました。^[10]一方、別の研究では、脊椎動物の祖先ステロイド受容体は、他のホルモンに対してわずかな基質の曖昧さを持つエストロゲン受容体であり、当時はこれらのホルモンが合成されていなかった可能性が高いことが示されました。^[12]

祖先特異性のこの多様性は、異なる遺伝子間だけでなく、同じ遺伝子ファミリー内でも観察されています。多数の特定のマルトース様基質（マルトース、トゥラノース、マルトトリオース、マルツロース、スクロース）およびイソマルトース様基質（イソマルトース、パラチノース）を持つ多数のパラログ真菌α-グルコシダーゼ遺伝子を考慮して、研究ではすべての主要な祖先を再構築し、パラログの最後の共通祖先は、イソマルトースグルコシダーゼの系統と、さらにマルトースグルコシダーゼとイソマルトースグルコシダーゼに分岐した系統につながったにもかかわらず、主にマルトース様基質に対して活性があり、イソマルトース様糖に対してはわずかな活性しかなかったことを発見しました。対照的に、後者の分岐前の祖先は、より顕著なイソマルトース様グルコシダーゼ活性を持っていました。^[3]

ロイ・ジェンセンは1976年に、代謝ネットワークがパッチワークのように組み立てられるためには、原始酵素が非常に雑多でなければならないという理論を立てた（そのため、パッチワークモデルと呼ばれる）。この原始的な触媒の多様性は、後に、高度に触媒特化した相同酵素に取って代わられた。^[13]その結果、多くの中枢代謝酵素は、最後の普遍的共通祖先以前に分岐した構造相同体を持っている。^[14]

雑種性は、最初の形質というだけでなく、現代のゲノムに広く見られる特性です。大腸菌における雑種酵素活性の分布を評価するために、一連の実験が行われてきました。大腸菌では、試験した104の単一遺伝子ノックアウト（Keioコレクション^[15] ）のうち21が、非同族大腸菌タンパク質（ASKAコレクション^[16]のプラスミドのプールセットを使用）の過剰発現によって救済できました。非同族ORFがノックアウトを救済できるメカニズムは、アイソザイム過剰発現（ホモログ）、基質曖昧性、輸送曖昧性（清掃）、触媒雑種性、代謝フラックス維持（アミントランスフェラーゼサブユニットがない場合の合成酵素の大きな成分の過剰発現を含む）、経路バイパス、調節効果、および未知のメカニズムの8つのカテゴリーに分類できます。^[4]同様に、ORFコレクションを過剰発現させることで、大腸菌は237の毒性環境のうち86において1桁以上の耐性を獲得することができた。^[17]

相同体は、互いの主な反応に対して無差別性を示すことが知られています。^[18]この交差的無差別性は、いくつかの化合物の硫酸、ホスホネート、一リン酸、二リン酸または三リン酸エステル結合に対する加水分解反応を触媒するアルカリホスファターゼスーパーファミリー のメンバーで最も研究されてきました。[ ^19]分離しているにもかかわらず、相同体はさまざまな程度の相互無差別性を持っています。無差別性の違いは、関与するメカニズム、特に必要な中間体によるものです。^[19]

酵素は一般に、安定性と触媒効率の間の妥協点であるだけでなく、特異性と進化可能性についても妥協点であり、後者の2つは、酵​​素がジェネラリスト（雑種性が高いため進化しやすいが、主な活性が低い）であるか、スペシャリスト（主な活性が高いが、雑種性が低いため進化しにくい）であるかを決定します。^[20]これらの例としては、植物の一次代謝と二次代謝の酵素があります（以下の§植物の二次代謝）。他の要因が関係する可能性があり、たとえば、エンテロバクター・アエロゲネスのグリセロホスホジエステラーゼ（ gpdQ ）は、結合する2つの金属イオンに応じて雑種活性の異なる値を示し、これはイオンの利用可能性によって決まります。^[21] 場合によっては、大腸菌L-アラニン-D/L-グルタミン酸エピメラーゼ（ycjG ）のD297G変異体やシュードモナスムコン酸ラクトン化酵素IIのE323G変異体のように、単一の変異で活性部位の特異性を拡大することで活性部位の特異性を緩和し、O-スクシニル安息香酸合成酵素（ menC）の活性を無差別に触媒できるようにすることで、乱交性を高めることができます。 ^[22]逆に、モミのγ-フムレン合成酵素（セスキテルペン合成酵素）の場合のように乱交性は低下する可能性があります。モミのγ-フムレン合成酵素は、いくつかの変異によりファルネシル二リン酸から52種類のセスキテルペンを生成することが知られています。^[23]

哺乳類のトリプシンやキモトリプシン、およびPyrococcus horikoshii由来の二機能性イソプロピルリンゴ酸イソメラーゼ/ホモアコニターゼなど、幅広い特異性（無差別ではないが概念的に近い）を持つ酵素の研究では、活性部位ループの可動性が酵素の触媒弾性に大きく寄与していることが明らかになっています。^{[24] [25]}

無差別活性とは、酵素が進化して行うようにはならなかった非ネイティブな活性であり、活性部位の順応的な構造により生じる。しかし、酵素の主な活性は、特定の基質に対する高い触媒速度を選択して特定の生成物を生成することだけでなく、毒性のある生成物や不要な生成物の生成を避けることによる選択の結果でもある。^[1]たとえば、tRNA合成でtRNAに間違ったアミノ酸がロードされた場合、結果として得られるペプチドの特性は予期せず変化するため、忠実性を高めるためにいくつかの追加ドメインが存在している。^[26] tRNA合成への反応と同様に、バチルス・ブレビス由来のチロシジン合成酵素（ tyrA）の最初のサブユニットは、フェニルアラニン分子をアデニル化して、アデニル部分をハンドルとして使用し、環状非リボソームペプチドであるチロシジンを生成する。酵素の特異性を調べたところ、フェニルアラニン以外の天然アミノ酸に対しては選択性が高いが、非天然アミノ酸に対してははるかに耐性があることが判明した。^[27]具体的には、ほとんどのアミノ酸は触媒されなかったが、次に触媒された天然アミノ酸は構造的に類似しているがフェニルアラニンの1000分の1のチロシンであった。一方、D-フェニルアラニン、β-シクロヘキシル-L-アラニン、4-アミノ-L-フェニルアラニン、L-ノルロイシンなど、いくつかの非天然アミノ酸はチロシンよりも触媒性が高かった。 ^[27]

選択された二次活性の特異な例としては、ポリメラーゼと制限エンドヌクレアーゼが挙げられます。これらの酵素では、不正確な活性は実際には忠実性と進化可能性の間の妥協の結果です。たとえば、制限エンドヌクレアーゼの場合、不正確な活性（スター活性）は生物にとって致命的であることが多いですが、少量であれば、新しい病原体に対する新しい機能を進化させることができます。^[28]

植物は、一次代謝に関与する酵素とは異なり、触媒効率は低いが、より大きな機構的弾力性（反応タイプ）とより広い特異性を持つ酵素のおかげで、多数の二次代謝産物を生産する。（個体数が小さいため選択圧が低いために生じる）緩やかなドリフト閾値により、産物の1つによってもたらされる適応度の向上により、他の活動が生理学的に役に立たない場合でも、それらの活動を維持することができる。^[29]

生体触媒反応では、自然界には存在しない多くの反応が求められています。これを実現するために、必要な反応に対して小さな無差別活性を持つ酵素が特定され、指向性進化または合理的設計によって進化します。^[30]

一般的に進化した酵素の例としては、ケトンをキラルアミンに置き換えることができるω-トランスアミナーゼ^[31]があり、その結果、さまざまな相同体のライブラリが迅速なバイオマイニング用に市販されています（例： Codexis ^[32]）。

もう一つの例として、システイン合成酵素（cysM）の求核剤に対する多様な活性を利用して非タンパク質性アミノ酸を生成する可能性が挙げられる。^[33]

酵素反応（EC）間の類似性は、結合変化、反応中心、または部分構造メトリクスを使用して計算できます（EC-BLAST Archived 2019-05-30 at the Wayback Machine）。^[34]

乱交性は主に標準的な酵素反応速度論の観点から研究されているが、薬物結合とそれに続く反応は、酵素が触媒するように進化していない新しい基質に対する不活性化反応を触媒するため、乱交的な活動である。^[5]これは、タンパク質には明確なリガンド結合ポケットが少数しかないことが実証されているためである可能性がある。

一方、哺乳類の異物代謝は、植物アルカロイドなどの毒性がある可能性のある異物親油性化合物を酸化、結合、除去する幅広い特異性を持つように進化しており、人為的異物解毒能力はこの延長線上にある。 ^[35]

• 遺伝子複製による進化
• ミカエリス・メンテン反応速度論
• 分子の乱交
• タンパク質副業
• 大野 進