タンパク質副業

タンパク質ムーンライトとは、タンパク質が複数の機能を果たす現象である。 ^[2]これは遺伝子共有の優れた例である。^[3]

祖先のムーンライトタンパク質はもともと単一の機能しか持たなかったが、進化を通じて追加の機能を獲得した。ムーンライトタンパク質の多くは酵素であり、その他は受容体、イオンチャネル、シャペロンである。ムーンライトタンパク質の最も一般的な主な機能は酵素触媒であるが、これらの酵素は二次的な非酵素的役割を獲得した。触媒作用に次ぐムーンライトタンパク質の機能の例には、シグナル伝達、転写調節、アポトーシス、運動性、構造などがある。^[4]

タンパク質のムーンライト機能は自然界に広く見られる。^{[5] [6] [7]遺伝子共有によるタンパク質のムーンライト機能は}、選択的RNAスプライシング、DNA再配置、または翻訳後処理によって単一の遺伝子から異なるタンパク質を生成することとは異なります。また、タンパク質が複数のドメインを持ち、それぞれが異なる機能を果たすという、タンパク質の多機能性とも異なります。遺伝子共有によるタンパク質のムーンライト機能は、遺伝子が重複することなく、また主要な機能を失うことなく、第2の機能を獲得し維持できることを意味します。このような遺伝子は、2つ以上の完全に異なる選択的制約を受けます。^[8]

タンパク質のムーンライト機能を明らかにするために、さまざまな技術が使用されてきました。細胞、細胞型、または組織内の予期しない場所でタンパク質が検出された場合、そのタンパク質にムーンライト機能があることが示唆されることがあります。さらに、タンパク質の配列または構造の相同性を使用して、タンパク質の一次機能と二次的なムーンライト機能の両方を推測することもできます。

遺伝子共有の最もよく研​​究されている例はクリスタリンである。これらのタンパク質は、多くの組織で低レベルで発現すると酵素として機能するが、眼組織で高レベルで発現すると密集してレンズを形成する。遺伝子共有の認識は比較的最近のことであるが（この用語は、ニワトリとアヒルのクリスタリンが別々に特定された酵素と同一であることがわかった1988年に造られた）、最近の研究では生物界全体で多くの例が見つかっている。 ジョラム・ピアティゴルスキーは、多くの、あるいはすべてのタンパク質がある程度遺伝子共有を示し、遺伝子共有は分子進化の重要な側面であると示唆している。^{[9] : 1–7} クリスタリンをコードする遺伝子は、触媒機能と透明性維持機能のために配列を維持しなければならない。^[8]

不適切な副業はいくつかの遺伝性疾患の一因となり、細菌が抗生物質に耐性を持つようになるメカニズムとなる可能性がある。^[10]

ムーンライトタンパク質の最初の観察は、1980年代後半にジョラム・ピアティゴルスキーとグレアム・ウィストウがクリスタリン酵素の研究中に行われました。ピアティゴルスキーは、水晶体のクリスタリンの保存と変動は、水晶体以外のムーンライト機能によるものであると結論付けました。^{[ 11]} 当初、ピアティゴルスキーはこれらのタンパク質を「遺伝子共有」タンパク質と呼んでいましたが、その後、1999年にコンスタンス・ジェフリーが、マルチタスクタンパク質と2つの仕事をする人々との類似性を引き出すために、ムーンライトという口語的な表現をタンパク質に適用しました。^{[13] 「遺伝子共有」というフレーズは、}水平遺伝子伝達を説明するためにも使用されるため、曖昧です。そのため、「タンパク質ムーンライト」というフレーズは、複数の機能を持つタンパク質を説明するために好まれるようになりました。^[13]

ムーンライトタンパク質は、単一機能タンパク質が複数の機能を果たす能力を獲得する進化によって生じたと考えられています。変更により、タンパク質の未使用スペースの多くが新しい機能を提供できます。 ^{[10]多くのムーンライトタンパク質は、2つの単一機能遺伝子の}遺伝子融合の結果です。^[14] また、コード化されたタンパク質の活性部位は、通常、タンパク質の全体サイズに比べて小さく、2番目の機能部位を収容するかなりの余地が残るため、単一の遺伝子が2番目の機能を獲得することもできます。さらに3番目の選択肢では、同じ活性部位が活性部位の変異を通じて2番目の機能を獲得する場合があります。

ムーンライトタンパク質の発達は、単一のタンパク質が複数のタンパク質の役割を果たすことができ、これらのタンパク質の合成に必要なアミノ酸とエネルギーを節約できるため、生物にとって進化的に好ましいものかもしれない。^[12]しかし、複数の役割を持つタンパク質が進化した理由を説明する普遍的に同意された理論はない。^{[12] [13] 1つのタンパク質を使用して複数の役割を果たすことは、ゲノムを小さく保つことができるため有利であるように思われるが、}非コードDNA の量が多いため、これがムーンライトの理由ではないと結論付けることができる。^[13]

多くのタンパク質は化学反応を触媒します。他のタンパク質は構造、輸送、またはシグナル伝達の役割を果たします。さらに、多くのタンパク質は超分子アセンブリに凝集する能力を持っています。たとえば、リボソームは90 個のタンパク質とRNAで構成されています。

現在知られているムーンライトタンパク質の多くは、高度に保存された酵素（古代酵素とも呼ばれる）から進化的に派生したものである。これらの酵素はムーンライト機能を進化させたとよく推測されている。高度に保存されたタンパク質はさまざまな生物に存在するため、二次的なムーンライト機能を開発する可能性が高くなる。^{[13]古代の普遍的な代謝経路である}解糖系に関与する酵素の多くはムーンライト挙動を示す。さらに、解糖系の10個のタンパク質のうち7個、トリカルボン酸回路の8個の酵素のうち7個がムーンライト挙動を示すことが示唆されている。^[4]

副業酵素の一例としては、ピルビン酸カルボキシラーゼが挙げられます。この酵素は、ピルビン酸をオキサロ酢酸にカルボキシル化する反応を触媒し、それによってトリカルボン酸回路を補充します。驚くべきことに、 H. polymorphaやP. pastorisなどの酵母種では、ピルビン酸カルボキシラーゼは、ペルオキシソームタンパク質アルコール酸化酵素（AO）の適切な標的化と組み立てにも不可欠です。メタノール代謝の最初の酵素であるAOは、ホモ八量体フラビン酵素です。野生型細胞では、この酵素はペルオキシソームマトリックス内に酵素活性のあるAO八量体として存在します。しかし、ピルビン酸カルボキシラーゼを欠く細胞では、AOモノマーが細胞質に蓄積し、ピルビン酸カルボキシラーゼが組み立てと輸入において完全に無関係な2番目の機能を持っていることを示しています。 AOの輸入/組み立てにおける機能はピルビン酸カルボキシラーゼの酵素活性とは完全に独立している。なぜなら、ピルビン酸カルボキシラーゼの酵素活性を完全に不活性化するアミノ酸置換を導入しても、AOの組み立てと輸入における機能には影響がないからである。逆に、AOの輸入と組み立てにおけるこの酵素の機能を阻害するが、タンパク質の酵素活性には影響を及ぼさない変異が知られている。^[13]

大腸菌の抗酸化チオレドキシンタンパク質は、ムーンライトタンパク質のもう一つの例です。バクテリオファージT7に感染すると、大腸菌のチオレドキシンはT7 DNAポリメラーゼと複合体を形成し、T7 DNA複製を促進します。これはT7感染を成功させる重要なステップです。チオレドキシンはT7 DNAポリメラーゼのループに結合して、DNAにさらに強く結合します。チオレドキシンの抗酸化機能は完全に自律的で、T7 DNA複製とは完全に独立しており、このタンパク質はT7 DNA複製において機能的役割を果たしている可能性が高いです。^[13]

ADT2とADT5は植物に見られるムーンライトタンパク質の他の例です。これらのタンパク質は両方とも他のADTと同様にフェニルアラニン生合成に役割を果たします。しかし、ADT2はFtsZとともに葉緑体分裂に必要であり、ADT5はストロミュールによって核に輸送されます。 ^[15]

多くの場合、タンパク質の機能性は、その構造だけでなく、その位置によっても異なります。たとえば、単一のタンパク質は、細胞の細胞質にあるときには 1 つの機能を持ち、膜と相互作用するときには別の機能を持ち、細胞から排出されると 3 つ目の機能を持ちます。ムーンライトタンパク質のこの特性は、「差別的局在」として知られています。^[19]たとえば、高温では DegP ( HtrA ) はタンパク質の指向的分解によってプロテアーゼとして機能し、低温では非共有結合による折り畳みまたは展開、および他の高分子構造の組み立てまたは分解を支援するシャペロンとして機能します。 ^[10] さらに、ムーンライトタンパク質は、細胞内の位置だけでなく、タンパク質が発現する細胞の種類によっても異なる動作を示す場合があります。^[19]多機能性は、差別的翻訳後修飾 (PTM) の結果である可能性もあります。^[20]解糖酵素グリセルアルデヒド-3-リン酸脱水素酵素（GAPDH）の場合、PTMの変化は高次の多機能性と関連していることが示されている。^{[21] [22]}

タンパク質が副業を行うその他の方法としては、オリゴマー状態の変化、タンパク質のリガンドまたは基質の濃度の変更、代替の結合部位の使用、または最終的にはリン酸化があります。異なるオリゴマー状態で異なる機能を示すタンパク質の例としては、テトラマーとして代謝活性を示し、モノマーとして甲状腺ホルモン結合活性を示すピルビン酸キナーゼがあります。リガンドまたは基質の濃度の変化により、タンパク質の機能が切り替わることがあります。たとえば、鉄濃度が高い場合、アコニターゼは酵素として機能しますが、鉄濃度が低い場合、アコニターゼは鉄の取り込みを増やす鉄応答性エレメント結合タンパク質(IREBP) として機能します。タンパク質は、異なるタスクを実行する代替結合部位を使用することで、別の機能を実行することもできます。この例としては、銅代謝で酸化酵素として機能し、銅非依存性グルタチオンペルオキシダーゼとしても機能するタンパク質であるセルロプラスミンがあります。最後に、リン酸化はムーンライトタンパク質の機能の切り替えを引き起こすことがあります。例えば、タンパク質キナーゼCK2によるホスホグルコースイソメラーゼ（PGI）のSer-185のリン酸化は、オートクリン運動因子としての機能は保持しながらも、酵素としての機能は停止します。^[4]したがって、ムーンライトタンパク質の機能を不活性化する変異が起こった場合、他の機能は必ずしも影響を受けません。^[13]

I-AniIホーミングエンドヌクレアーゼ/マチュラーゼ^[23]やPutAプロリン脱水素酵素/転写因子^[24]など、いくつかのムーンライトタンパク質の結晶構造が決定されています。^[25]これらの結晶構造の分析により、ムーンライトタンパク質は両方の機能を同時に実行することも、コンフォメーション変化を通じて2つの状態を交互に実行して、それぞれが別の機能を実行できることが実証されています。たとえば、タンパク質DegPは、高温でのタンパク質分解に役割を果たし、低温でのリフォールディング機能に関与しています。^[25]最後に、これらの結晶構造は、一部のムーンライトタンパク質では2番目の機能が最初の機能に悪影響を及ぼす可能性があることを示しました。ƞ-クリスタリンに見られるように、タンパク質の2番目の機能は構造を変化させ、柔軟性を低下させ、その結果、酵素活性をいくらか損なう可能性があります。^[25]

ムーンライトタンパク質は、二次的なムーンライト機能を特定するための明確な手順がないため、通常は偶然に特定されてきました。このような困難にもかかわらず、発見されたムーンライトタンパク質の数は急速に増加しています。さらに、ムーンライトタンパク質はすべての生物界に豊富に存在するようです。^[13]

タンパク質の機能を決定するために、二次的なムーンライト機能を含むさまざまな方法が採用されています。たとえば、タンパク質の組織、細胞、または細胞内分布は、機能についてのヒントを提供する場合があります。リアルタイム PCRはmRNA を定量化し、さまざまな細胞タイプ内で mRNA によってコード化された特定のタンパク質の有無を推測するために使用されます。または、免疫組織化学または質量分析を使用して、タンパク質の存在を直接検出し、特定のタンパク質がどの細胞内位置、細胞タイプ、および組織で発現しているかを判定することもできます。

質量分析法は、質量電荷比に基づいてタンパク質を検出するために使用できます。選択的スプライシングと翻訳後修飾のため、親イオンの質量のみに基づいてタンパク質を識別することは非常に困難です。しかし、親ピークのそれぞれを順に断片化するタンデム質量分析法を使用すると、タンパク質を明確に識別できます。したがって、タンデム質量分析法は、異なる細胞タイプまたは細胞内位置にあるタンパク質の存在を識別するためにプロテオミクスで使用されるツールの1つです。ムーンライトタンパク質が予期しない場所に存在すると、日常的な分析が複雑になる可能性がありますが、同時に、予期しない多タンパク質複合体または場所でタンパク質が検出されると、タンパク質がムーンライト機能を持っている可能性があることが示唆されます。^[19] さらに、質量分析法は、タンパク質の発現レベルが高く、酵素の測定された代謝活性と相関していないかどうかを判断するために使用できます。これらの発現レベルは、タンパク質が以前に知られていたものとは異なる機能を実行していることを示している可能性があります。^[4]

タンパク質の構造は、その機能を決定するのにも役立ちます。タンパク質の構造は、X線結晶構造解析やNMRなどのさまざまな技術で解明できます。二重偏光干渉法は、タンパク質構造の変化を測定するために使用でき、タンパク質の機能に関するヒントも提供します。最後に、インタラクトミクスなどのシステム生物学アプローチ^[26]の適用により、タンパク質が相互作用するものに基づいてタンパク質の機能に関する手がかりが得られます。

解糖酵素グリセルアルデヒド-3-リン酸デヒドロゲナーゼ（GAPDH）の場合、多数の代替機能に加えて、複数の手段で同じ機能に関与できることも観察されています（多機能性の中の多機能性）。たとえば、細胞の鉄の恒常性を維持する役割において、GAPDHは細胞から鉄を輸入または排出する機能があります。さらに、鉄輸入活動の場合、ホロトランスフェリンだけでなく関連分子ラクトフェリンも複数の経路で細胞に輸送できます。^[27]

クリスタリンの場合、遺伝子は触媒機能と透明性維持機能のための配列を維持しなければならない。^{[8]豊富に存在する水晶体クリスタリンは、透明性と}白内障において厳密に構造的役割を果たす静的タンパク質であると一般的に考えられてきた。^[28]しかし、最近の研究では、水晶体クリスタリンはこれまで認識されていたよりもはるかに多様であり、その多くが多くの組織に存在する代謝酵素やストレスタンパク質と関連しているか同一であることがわかっている。 ^[29]グロビンやロドプシンなどの高度に専門化されたタスクを実行する他のタンパク質とは異なり、クリスタリンは非常に多様で、多くの種の違いが見られる。基本的にすべての脊椎動物の水晶体には、それ自体が不均一であるαおよびβ/γクリスタリンの代表が含まれている。クリスタリンの配列は高度に保存されている一方で、数と分布は極めて多様であるというこのパラドックスは、多くのクリスタリンが水晶体と角膜の外で重要な機能を果たしていることを示しており、クリスタリンのこの多機能性はムーンライトニングによって達成されている。^[30]

クリスタリンのリクルートメントは、遺伝子調節の変化によってレンズの発現が高くなることで起こる可能性がある。その一例は、遺伝子調節の変化と遺伝子重複によってレンズの発現に特化されたグルタチオンS-トランスフェラーゼ/ S11-クリスタリンである。Pax-6やレチノイン酸受容体などの類似の転写因子が異なるクリスタリン遺伝子を制御するという事実は、レンズ特異的発現がクリスタリンなどの多機能タンパク質のリクルートに重要な役割を果たしてきたことを示唆している。クリスタリンのリクルートメントは遺伝子重複の有無にかかわらず起こっており、一部のクリスタリンの間ではタンデム遺伝子重複が起こっており、重複の1つがレンズの発現に特化している。遍在するα-クリスタリンと鳥のδ-クリスタリンがその2つの例である。^[31]

α-クリスタリンは、借り物のタンパク質としてのクリスタリンの発見に貢献し、^[32]遺伝子共有の理論を継続的にサポートし、遺伝子共有に使用されるメカニズムの描写にも役立っています。α-クリスタリン遺伝子には2つ（αAとαB）あり、アミノ酸配列は約55％同一です。^[29]水晶体以外の細胞での発現研究では、αB-クリスタリンは機能的な水晶体タンパク質であること以外に、機能的な小型熱ショックタンパク質であることが示されました。^[33] αB-クリスタリンは熱やその他の生理学的ストレスによって誘導され、細胞を高温^[34]や高張性ストレスから保護することができます。^{[35] αB-クリスタリンは、}神経変性疾患、早期老化を示すウェルナー症候群患者の線維芽細胞、成長異常など、多くの病理で過剰発現しています。 αB-クリスタリンは異常な条件下で過剰発現するだけでなく、心臓、骨格筋、腎臓、肺、その他多くの組織で恒常的に発現している。^[36] αB-クリスタリンとは対照的に、胸腺、脾臓、網膜での低レベルの発現を除いて、^[37] αA-クリスタリンは水晶体での発現に高度に特化しており^{[38] 、ストレス誘導性ではない。しかし、αB-クリスタリンと同様に、分子}シャペロンとして機能し、熱ストレスから保護する こともできる。

β/γ-クリスタリンは、大きな多重遺伝子ファミリーであるという点でα-クリスタリンとは異なります。細菌胞子膜、粘菌嚢子タンパク質、表皮分化特異的タンパク質などの他のタンパク質は、同じギリシャ語の鍵モチーフを含み、β/γ-クリスタリンスーパーファミリーに分類されます。この関係は、β/γ-クリスタリンが遺伝子共有メカニズムによってリクルートされたという考えを支持しています。しかし、いくつかの報告を除いて、β/γ-クリスタリンの非屈折機能はまだ発見されていません。^[30]

水晶体と同様に、角膜は外胚葉由来の透明で無血管の組織であり、光を網膜に焦点を合わせる役割を果たします。しかし、水晶体とは異なり、角膜は屈折のために気室界面とその曲率に依存しています。初期の免疫学的研究では、BCP 54は牛の角膜の全可溶性タンパク質の20～40％を占めていることが示されています。^[39]その後の研究では、BCP 54は、ヒト、ラット、その他の哺乳類に見られる腫瘍および異物誘導性細胞質酵素であるALDH3であることが示されています。^[40]

遺伝子共有により多くの水晶体クリスタリンが多機能タンパク質になったことは明らかであるが、水晶体でクリスタリンがどの程度非屈折特性を利用しているのか、またどのような基準で選択されたのかはまだ不明である。α-クリスタリンは、水晶体クリスタリンが水晶体内で非屈折能力を利用して、さまざまな環境ストレス下でタンパク質の凝集を防ぎ^、グリケーションなどの翻訳後修飾による酵素の不活性化を防ぐという説得力のある事例を提供している。^[42] α-クリスタリンは、水晶体における繊維細胞の分化中に細胞骨格の安定性とリモデリングに機能的な役割を果たす可能性もある。[ ^43]角膜では、ALDH3 が UV-B 光の吸収にも関与していることが示唆されている。^[44]

レンズと角膜の類似性、例えば豊富な水溶性酵素や外胚葉由来であることなどから、レンズと角膜は「屈折ユニット」として共進化したと考えられています。遺伝子共有により、この屈折ユニットによる網膜への光の透過と屈折が最大化されます。研究により、角膜で発現する多くの水溶性酵素/タンパク質は、ALDH1A1/η-クリスタリン、α-エノラーゼ/τ-クリスタリン、乳酸脱水素酵素/-クリスタリンなど、分類群固有のレンズクリスタリンと同一であることが示されています。また、分化転換してレンズを再生できる無尾動物の角膜上皮は、分類群固有のクリスタリンであるα-エノラーゼ/τ-クリスタリンに加えて、普遍的なレンズクリスタリンであるα、β、γを豊富に発現しています。全体的に、角膜と水晶体におけるこれらのタンパク質の発現の類似性は、豊富さと分類群特異性の両方において、遺伝子共有による水晶体と角膜の共進化の考えを支持している。^[45]

遺伝子共有は、遺伝学、進化学、分子生物学のいくつかの概念と関連しているが、それらとは異なる。遺伝子共有は、同じ遺伝子から複数の効果を伴い、多面的発現とは異なり、必然的に分子レベルで別々の機能を伴う。単一の酵素機能が複数の表現型特性に影響を及ぼす場合、遺伝子は多面的発現を示す可能性がある。共有遺伝子の変異は、潜在的に単一の特性にしか影響しない可能性が ある。遺伝子重複の後に異なる変異が起こる現象は、タンパク質機能の進化における重要な要素であると考えられているもう 1 つの現象であるが、遺伝子共有では、タンパク質が新しい機能を獲得しても遺伝子配列の分岐は発生しない。単一のポリペプチドは、古い役割を保持しながら新しい役割を獲得する。 選択的スプライシングにより、単一の遺伝子から複数のポリペプチド (複数の機能を持つ) が生成される可能性があるが、定義上、遺伝子共有は単一のポリペプチドの複数の機能を伴う。^{[9] : 8–14}

ムーンライトタンパク質の多様な役割は、遺伝子型から表現型の決定を複雑にし、^[4]遺伝性代謝疾患の研究を妨げています。

いくつかの疾患の複雑な表現型は、ムーンライトタンパク質の関与によって引き起こされると考えられています。GAPDHタンパク質には少なくとも11の機能が記録されており、そのうちの1つにアポトーシスがあります。過剰なアポトーシスは、ハンチントン病、アルツハイマー病、パーキンソン病などの多くの神経変性疾患や脳虚血に関係しています。ある症例では、アルツハイマー病患者の変性ニューロンでGAPDHが見つかりました。^[4]

明確な結論を出すには証拠が不十分だが、病気において役割を果たすムーンライトタンパク質の例は十分に文書化されている。そのような病気の一つが結核である。M.tuberculosisのムーンライトタンパク質の一つは、抗生物質の効果を打ち消す機能を持つ。^{[10] [13]}具体的には、細菌は生体内でグルタミン酸ラセマーゼを過剰発現させることでシプロフロキサシンに対する抗生物質耐性を獲得する。^[10]病原性マイコバクテリアの表面に局在するGAPDHは、哺乳類の鉄運搬タンパク質トランスフェリンを捕捉して細胞内に輸送し、病原体による鉄獲得をもたらすことがわかっている。^[46]

• 酵素の乱交
• 擬似酵素

• ウィキメディア・コモンズのムーンライトタンパク質に関連するメディア
• moonlightingproteins.org データベース