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ストレプトアビジン/ ˌ s t r ɛ p ˈ t æ v ɪ d ɪ n /は、細菌Streptomyces avidiniiから精製された52 kDaのタンパク質(四量体) です。ストレプトアビジン ホモ四量体は、ビオチン(ビタミン B7 またはビタミン H としても知られています)に対して非常に高い親和性を持っています。解離定数(K d ) が約 10 −14 mol/Lのオーダーであることから[ 1 ] 、ストレプトアビジンへのビオチンの結合は、自然界で知られている最も強い非共有結合相互作用の 1 つです。ストレプトアビジンは、ストレプトアビジン-ビオチン複合体が有機溶媒、変性剤（例：塩化グアニジン）、洗剤（例：SDS、Triton X-100 ）、タンパク質分解酵素、極端な温度やpHに対して耐性があるため、分子生物学やバイオナノテクノロジーで広く利用されています。
ビオチンが結合したストレプトアビジンの結晶構造は、1989 年に 2 つのグループによって報告されました。この構造は、コロンビア大学のHendrickson ら[ 2 ]が多波長異常回折法を用いて、また EI DuPont 中央研究開発部門の Weber ら[ 3 ]が多重同形置換法を用いて解明しました。2025 年 3 月現在、Protein Data Bankには 298 の構造が登録されています。完全なリストについては、このリンクを参照してください。159 残基の全長タンパク質の N 末端と C 末端は、通常 13 ～ 139 残基からなる短い「コア」ストレプトアビジンになるように処理されます。N 末端と C 末端の除去は、最高のビオチン結合親和性を得るために必要です。ストレプトアビジンモノマーの二次構造は、8 つの逆平行 β ストランドで構成され、折り畳まれて逆平行β バレル三次構造を形成します。ビオチン結合部位は、各βバレルの一端に位置している。4つの同一のストレプトアビジンモノマー（すなわち、4つの同一のβバレル）が会合して、ストレプトアビジンの四量体四次構造を形成する。各バレル内のビオチン結合部位は、バレル内部の残基と、隣接するサブユニットの保存されたTrp120残基から構成される。このように、各サブユニットは隣接するサブユニットの結合部位に寄与するため、四量体は機能的な二量体の二量体とみなすこともできる。
ストレプトアビジン-ビオチン複合体の多数の結晶構造は、その驚異的な親和性の起源を明らかにしてきた。第一に、結合ポケットとビオチンの間には高い形状相補性がある。第二に、結合部位にあるビオチンとの間には広範な水素結合ネットワークが形成される。結合部位の残基（いわゆる「第一殻」水素結合）に直接形成される水素結合は8つあり、これにはAsn23、Tyr43、Ser27、Ser45、Asn49、Ser88、Thr90、およびAsp128の残基が含まれる。また、第一殻の残基と相互作用する残基を含む「第二殻」水素結合も存在する。しかし、ストレプトアビジン-ビオチンの親和性は、水素結合相互作用のみから予測されるものを超えており、高い親和性に寄与する別のメカニズムが存在することを示唆している。[ 4 ] ビオチン結合ポケットは疎水性であり、ポケット内のビオチンに対して多数のファンデルワールス力による接触と疎水性相互作用が生じ、これが高い親和性の原因と考えられています。特に、ポケットは保存されたトリプトファン残基で覆われています。最後に、ビオチン結合に伴い、βストランド3と4をつなぐ柔軟なループ（L3/4）が安定化し、結合したビオチンを覆い、結合ポケットの「蓋」のように機能して、ビオチンの解離速度が非常に遅くなります。
ストレプトアビジンの変異を試みると、ほとんどの場合、ビオチン結合親和性が低下します。これは、高度に最適化されたシステムでは当然のことです。しかし、トラップアビジンと呼ばれるストレプトアビジンの人工変異体は、熱的および機械的安定性が向上したことに加えて、ビオチン解離速度が10倍以上遅くなることが分かりました。[ 5 ]この解離速度の低下に伴い、結合速度も2倍低下しました。
ストレプトアビジンの化学標識（例えばアミン反応性蛍光色素による標識）によってビオチン結合親和性が損なわれることがある。フラビジンはリジン側鎖を持たないストレプトアビジン変異体であり、蛍光色素標識後も良好なビオチン結合特性を保持し、色素はアミノ末端に結合する。[ 6 ]
ストレプトアビジンの最も一般的な用途には、さまざまな生体分子の精製または検出があります。ストレプトアビジンとビオチンの強い相互作用は、さまざまな生体分子を互いに、または固体支持体に結合させるために使用できます。ストレプトアビジンとビオチンの相互作用を切断するには厳しい条件が必要であり、多くの場合、精製対象のタンパク質が変性します。しかし、70 °C を超える水中で短時間インキュベートすると、ストレプトアビジンを変性させることなく、相互作用を可逆的に切断できることが示されています (少なくともビオチン化 DNA の場合)。これにより、ストレプトアビジン固体支持体を再利用できます。[ 7 ]ストレプトアビジンのもう 1 つの用途は、Strep-tagペプチド で遺伝子修飾されたタンパク質の精製と検出です。ストレプトアビジンは、西洋ワサビペルオキシダーゼなどのレポーター分子と結合して、ウェスタンブロッティングや免疫測定法で広く使用されています。ストレプトアビジンは、ナノバイオテクノロジーという発展途上の分野でも使用されており、これはタンパク質や脂質などの生体分子を使用してナノスケールのデバイスや構造を作成するものです。この文脈では、ストレプトアビジンは、ビオチン化DNA分子を連結して単層カーボンナノチューブ足場[ 8 ]や複雑なDNA多面体[ 9 ]を作成するための構成要素として使用できます。四量体ストレプトアビジンは、 Strep-tagやAviTagなどのアフィニティタグ、またはSpyTagとの遺伝子融合によって 、他のタンパク質を配置できるハブとしても使用されています[ 10 ]。SpyTagとの融合により、8個または20個のストレプトアビジンサブユニットを持つ集合体を生成することができました。原子間力顕微鏡研究用の分子力プローブ[ 11 ]に加えて、 3D結晶格子[ 12 ]などの新しい材料も作成されています。ストレプトアビジンは弱酸性の等電点（pI）が約5であるが、ほぼ中性のpIを持つ組換え型ストレプトアビジンも市販されている。
プレターゲット免疫療法では、ストレプトアビジンを癌細胞特異的抗原に対するモノクローナル抗体に結合させ、続いて放射性標識ビオチンを注射して、放射線を癌細胞のみに送達します。初期の課題としては、ストレプトアビジンのビオチン結合部位が、注射された放射性標識ビオチンではなく内因性ビオチンで飽和してしまうこと、およびストレプトアビジンの強い細胞吸着特性により腎臓への放射線被曝量が多くなることが挙げられます。現在、活性化血小板やメラノーマなどの接着細胞へのこの高い結合レベルは、ストレプトアビジンのRYD配列を介したインテグリン結合の結果であると考えられています。 [ 13 ]
ストレプトアビジンは四量体であり、各サブユニットはビオチンに等しい親和性で結合します。多価性は、 MHC四量体染色などの用途において有利であり、アビディティ効果により、ストレプトアビジンに結合したMHC分子が特定のT細胞を検出する能力が向上します。[ 14 ]細胞上の特定のタンパク質をイメージングするためにストレプトアビジンを使用するなど、他のケースでは、多価性が目的のタンパク質の機能を阻害する可能性があります。一価ストレプトアビジンは、四量体であるが4つの結合部位のうち1つだけが機能する、ストレプトアビジンの工学的組換え形態です。この単一の結合部位は10⁻¹⁴ mol/Lの親和性を持ち、架橋を引き起こすことはできません。[ 15 ]一価ストレプトアビジンの用途には、細胞表面受容体の蛍光追跡、DNAオリガミの装飾、クライオ電子顕微鏡の特定の領域を識別するためのポインターとしての機能などがあります。
モノマー型ストレプトアビジンは、テトラマーをモノマーに分解し、結果として得られる単離サブユニットの溶解性を向上させる変異を持つストレプトアビジンの組換え体です。モノマー型ストレプトアビジンはビオチンに対する親和性が 10 −7 mol/L 10 −8 mol/L であるため、標識用途には理想的ではありませんが、可逆性が望ましい精製には有用です。[ 16 ] [ 17 ]
機能的なビオチン結合部位を持つサブユニットと持たないサブユニットを変性剤から一緒に折り畳み、折り畳まれた四量体をイオン交換クロマトグラフィーで精製することにより、四量体あたり正確に2つのビオチン結合部位を持つストレプトアビジンを製造できます。ここで機能的な結合部位は、野生型ストレプトアビジンと同じビオチン結合安定性を持っています。2つのビオチン結合部位が一緒に（シス二価）または離れて（トランス二価）二価ストレプトアビジンは、別々に精製できます。[ 18 ]
二価ストレプトアビジンを製造するのと同じ原理を用いて、テトラマーあたり正確に3つのビオチン結合部位を持つストレプトアビジンも製造することができる。[ 19 ]
より高価のストレプトアビジンは、SpyTag/SpyCatcher技術を用いたイソペプチド結合結合の化学を利用して得られています。 [ 20 ]これは、3つのビオチン結合部位を持つストレプトアビジン四量体と、SpyTagまたはSpyCatcherに融合した不活性ストレプトアビジンを持つことを含みます。異なる四量体を混合すると、共有結合が起こり、より多くのビオチン結合部位が可能になります。この方法で、1分子あたり6つおよび12つのビオチン結合部位が作られました。
ストレプトアビジンは、ビオチンに高い親和性で結合できる唯一のタンパク質ではありません。アビジンは、ビオチンに結合するタンパク質として他に最もよく知られています。もともと卵黄から単離されたアビジンは、ストレプトアビジンとの配列相同性はわずか30%ですが、二次構造、三次構造、四次構造はほぼ同一です。アビジンはビオチンに対する親和性が高く（K d ~ 10 −15 M）、ストレプトアビジンとは対照的に、糖鎖修飾を受けており、正電荷を持ち、擬似触媒活性（アビジンはビオチンとニトロフェニル基間のエステル結合のアルカリ加水分解を促進することができる）を持ち、凝集しやすい傾向があります。一方、ストレプトアビジンはビオチン複合体への結合能に優れています。アビジンは遊離の非結合ビオチンに対する親和性は高いものの、ビオチンが他の分子と結合している場合は、ストレプトアビジンよりも結合親和性が低くなります。ストレプトアビジンは糖鎖修飾を受けておらず、 pIがほぼ中性であるため、アビジンよりも非特異的結合がはるかに低いという利点があります。脱グリコシル化アビジン（ニュートラアビジン）は、サイズ、pI、および低い非特異的結合において、ストレプトアビジンにより近い特性を持っています。
ストレプトアビジンまたはアビジンファミリータンパク質を研究・開発しているグループ（アルファベット順）