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タンパク質スーパーファミリーは、共通の祖先を推測できるタンパク質の最大のグループ（クレード）です（相同性を参照）。通常、この共通の祖先は、配列の類似性が明らかでなくても、構造アラインメント[1]と機構の類似性から推測されます。[2]配列の相同性は、明らかでなくても（配列の類似性が低いため）推測できます。スーパーファミリーには通常、各ファミリー内で配列の類似性を示す複数のタンパク質ファミリーが含まれます。タンパク質クランという用語は、MEROPSおよびCAZy分類システムに基づくプロテアーゼおよびグリコシル加水分解酵素スーパーファミリーによく使用されます。[2] [3]
識別
タンパク質のスーパーファミリーは、さまざまな方法を使用して識別されます。密接に関連するメンバーは、進化的に最も異なるメンバーをグループ化するために必要な方法とは異なる方法で識別できます。
配列類似性
歴史的に、異なるアミノ酸配列の類似性は、相同性を推測する最も一般的な方法であった。 [5] 配列の類似性は、類似した配列が収斂進化の結果ではなく、遺伝子の重複と分岐進化の結果である可能性が高いため、関連性の良い予測因子であると考えられている。アミノ酸配列は通常、DNA配列よりも保存されている（遺伝暗号の退化による）ため、より感度の高い検出方法である。一部のアミノ酸は類似した特性（電荷、疎水性、サイズなど）を持つため、それらを入れ替える保存的変異は機能に影響しないことが多い。タンパク質の最も保存された配列領域は、触媒部位や結合部位などの機能的に重要な領域に対応することが多い。これらの領域は配列の変化にあまり耐性がないからである。
配列類似性を使用して相同性を推測することには、いくつかの制限があります。同一の構造を生成することが保証される配列類似性の最小レベルはありません。長い進化期間にわたって、関連するタンパク質が互いに検出可能な配列類似性を示さない場合があります。多くの挿入と削除を含む配列は、アラインメントが困難な場合があり、相同配列領域を識別することもできます。たとえば、プロテアーゼのPA クランでは、スーパーファミリー全体で単一の残基が保存されておらず、触媒トライアドの残基も同様です。逆に、スーパーファミリーを構成する個々のファミリーは、PA クラン内の C04 プロテアーゼ ファミリーのように、配列アラインメントに基づいて定義されます。
それにもかかわらず、既知の配列の数は既知の三次構造の数をはるかに上回っているため、配列類似性は関連性を推測するための証拠として最も一般的に使用されている。[6]構造情報がない場合、配列類似性はどのタンパク質をスーパーファミリーに割り当てることができるかという制限を課す。[6]
構造の類似性
構造は配列よりも進化的に保存されており、非常に類似した構造を持つタンパク質がまったく異なる配列を持つこともあります。[7]非常に長い進化の時間スケールでは、検出可能なアミノ酸配列の保存を示す残基はほとんどありませんが、二次構造要素と三次構造モチーフは高度に保存されています。一部のタンパク質ダイナミクス[8]とタンパク質構造の立体配座変化も、セルピンスーパーファミリーに見られるように保存されている可能性があります。[9]その結果、タンパク質の三次構造は、配列に関連性の証拠が残っていない場合でも、タンパク質間の相同性を検出するために使用できます。DALIなどの構造アライメントプログラムは、対象のタンパク質の3D構造を使用して、同様の折り畳みを持つタンパク質を見つけます。[10]ただし、まれに、関連するタンパク質が構造的に異なるように進化することがあり[11]、関連性は他の方法でのみ推測できます。[12] [13] [14]
メカニズムの類似性
スーパーファミリー内の酵素の触媒機構は一般的に保存されているが、基質特異性は大きく異なる場合がある。[15]触媒残基は、タンパク質配列において同じ順序で出現する傾向がある。[16] PA 族のプロテアーゼファミリーでは、触媒作用を行うために使用される触媒三元残基の進化は異なるが、すべてのメンバーは、タンパク質、ペプチド、またはアミノ酸に対して共有結合性の求核触媒作用を行うために同様の機構を使用する。 [17]ただし、機構だけでは関連性を推測するのに十分ではない。一部の触媒機構は、独立して複数回収束的に進化し、別々のスーパーファミリーを形成しており、[18] [19] [20]一部のスーパーファミリーでは、さまざまな（化学的に類似していることが多いが）機構が示される。[15] [21]
進化上の意義
タンパク質スーパーファミリーは、共通祖先を特定する能力の現在の限界を表しています。[22]これらは、現在可能な直接的な証拠に基づく最大の進化グループです。したがって、現在研究されている最も古い進化イベントの1つです。一部のスーパーファミリーのメンバーはすべての生命界に存在しており、そのスーパーファミリーの最後の共通祖先がすべての生命の最後の普遍的共通祖先（LUCA）にあったことを示しています。[23]
スーパーファミリーのメンバーは異なる種に存在する可能性があり、祖先タンパク質は祖先種に存在していたタンパク質の形態です（オルソロジー）。逆に、タンパク質は同じ種に存在する可能性がありますが、ゲノム内で遺伝子が複製された単一のタンパク質から進化しました（パラロジー）。
多様化
タンパク質の大部分は複数のドメインを含んでいます。真核生物のタンパク質の 66～80% は複数のドメインを持ち、原核生物のタンパク質の約 40～60% は複数のドメインを持っています。[5]時間の経過とともに、多くのドメインのスーパーファミリーが混ざり合ってきました。実際、「一貫して分離されたスーパーファミリー」を見つけることは非常にまれです。[5] [1] ドメインが結合する場合、N 末端から C 末端へのドメインの順序 (「ドメイン アーキテクチャ」) は通常、よく保存されています。さらに、自然界で見られるドメインの組み合わせの数は、可能性の数に比べて少ないため、選択はすべての組み合わせに作用することを示唆しています。[5]
例
- α/β加水分解酵素スーパーファミリー
- メンバーはα/βシートを共有しており、8本の鎖がらせん構造でつながっており、同じ順序で触媒三残基が並んでいます。 [24]その活性にはプロテアーゼ、リパーゼ、ペルオキシダーゼ、エステラーゼ、エポキシド加水分解酵素、脱ハロゲン化酵素が含まれます。[25]
- アルカリホスファターゼスーパーファミリー
- メンバーはαβαサンドイッチ構造を共有しており[26]、共通のメカニズムによって共通の無差別反応を行っています[27] 。
- グロビンスーパーファミリー
- メンバーは8αヘリックス球状グロビンフォールドを共有している。[28] [29]
- 免疫グロブリンスーパーファミリー
- メンバーは2枚の反平行βストランド（Igフォールド）のサンドイッチのような構造を共有しており、認識、結合、接着に関与しています。[30] [31]
- PA氏族
- メンバーはキモトリプシンのような二重βバレルフォールドと類似のタンパク質分解機構を共有しているが、配列同一性は10%未満である。この一族にはシステインプロテアーゼとセリンプロテアーゼ（異なる求核剤）の両方が含まれている。[2] [32]
- Rasスーパーファミリー
- メンバーは5つのαヘリックスに囲まれた6ストランドβシートの共通の触媒Gドメインを共有している。[33]
- RSHスーパーファミリー
- メンバーは、厳密な対応においてppGpp アラルモンを加水分解および/または合成する能力を共有している。[34]
- セルピンスーパーファミリー
- メンバーは高エネルギーのストレスを受けたフォールドを共有しており、大きな構造変化を起こす可能性があり、これは通常、セリンプロテアーゼとシステインプロテアーゼの構造を破壊することで阻害するために使用されます。[9]
- TIMバレルスーパーファミリー
- メンバーは大きなα8β8バレル構造を共有しています。これは最も一般的なタンパク質フォールドの1つであり、このスーパーファミリーの単系統性は依然として議論の的となっています。 [35] [36]
タンパク質スーパーファミリーリソース
いくつかの生物学データベースには、タンパク質スーパーファミリーとタンパク質フォールドが記録されています。次に例を示します。
- Pfam - アラインメントと HMM のタンパク質ファミリー データベース
- PROSITE - タンパク質ドメイン、ファミリー、機能部位のデータベース
- PIRSF - スーパーファミリー分類システム
- PASS2 - 構造スーパーファミリーとしてのタンパク質アラインメント v2
- SUPERFAMILY - スーパーファミリーを表す HMM のライブラリと、完全に配列されたすべての生物の (スーパーファミリーとファミリー) 注釈のデータベース
- SCOPとCATH - タンパク質構造のスーパーファミリー、ファミリー、ドメインへの分類
同様に、ターゲット構造と構造相同性を持つタンパク質を PDBで検索するアルゴリズムもあります。次に例を示します。
- DALI - 距離アライメントマトリックス法に基づく構造アライメント
参照
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外部リンク
ウィキメディア・コモンズのタンパク質スーパーファミリーに関連するメディア