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モジュール / イントロン / エクソンかき混ぜ / イントロンの起源 / キシラナーゼ / ゲノム構造 / 分子進化 / タンパク質立体構造 / エクソン / 赤池情報理論 / エクソンのかき混ぜ / 力学的安定性 / 分子動力学

立体構造既知の蛋白質のすべてをモジュールに分解し、モジュール境界と遺伝子上のイントロンの位置との対応を統計的に調べ、モジュール境界とイントロンの対応がタンパク質に普遍的に成り立つ事実であることを明らかにすることが本研究の目的であった。
本研究で完成したモジュール全自動同定法を使って、立体構造が既知であって原子座標が公開されているすべてのタンパク質をモジュールに分類した。最終的に50を越える多数のタンパク質について、モジュール境界とイントロンの位置が統計的に有意に相関していることを示すことができた。この結果は、モジュールとエクソンの相関がタンパク質に普遍的に成り立つ事実であることを示している。これはイントロンが生物進化において重要な役割を担ってきたことを示す、新しい構造生物学的知見である。イントロンの起源が古いことを示しており、イントロンの起源論争に大きく寄与する重要な結果が得られた。さらに、いくつかの酵素において、イントロンを介在者として、基質特異性がモジュール交換によってもたらされた可能性が示された。本研究はモジュールとエクソンの相関がタンパク質に普遍的に成り立つこと、モジュールが機能部品であることを明らかにした。特に、細胞壁の糖分解酵素であるキシラナーゼにおいては、この酵素単独でも、モジュール境界とイントロン位置が有意に相関していることがわかった。興味深いことに、基質結合部位は数個のモジュールに局在していた。イントロンはエクソンすなわちモジュールの連結や混成を仲介したデバイスであった。モジュールを部品として生物が行ったタンパク質デザインを、生物進化的束縛を離れて、人の手で行うことが可能な事を示している。これはタンパク質工学に新たな展開をもたらす結果であり、実際に、本研究の応用としてキシラナーゼのキメラタンパク質による新機能の創出に発展させることができた。

モジュール / イントロン / エクソンかき混ぜ / タンパク質立体構造 / 機能部品 / 分子動力学 / 分子進化 / ヘリックス・ターン・ヘリックス / 分化進化 / タンパク質工学 / 立体構造 / エキソンシャッフリング

イントロンはタンパク質の部品「モジュール」の境界によく対応していることから、分子進化において、モジュールが「かき混ぜられた」基本構造部品であることが明らかになってきた。本研究の目的はモジュールを分類し、機能の異なるタンパク質間の共有されるモジュールを明らかにすることであった。本研究の成果はモジュールを分類できる見通しが得られ、すでにモジュールの一部分がカタログ化できたことである。モジュール図鑑の電子出版やwwwでの公開も検討している。得られた具体的な成果を以下に述べる。
1.モジュールの分類法の確立:部品として機能するため必要な性質として、モジュールの立体構造は内部の相互作用によって決まることが明らかになった。すなわち、他のモジュールから切り離した単独モジュールが力学的に安定であることを、分子動力学計算の結果から示せた。従って、モジュールの分類は立体構造に基づいて行うのが合理的であると結論できた。
2.モジュールの分類:アミノ酸配列の一致度が40%以下であるタンパク質77個についてモジュールを同定し、得られた950個のモジュールを分類した。モジュールが3個以上含まれるグループが66種類特定された。しかし、どのグループにも属さないモジュールが存在している。
3.タンパク質でのモジュール共有:同じグループに属するモジュールが複数のタンパク質に共通に使われていることが明らかになった。これらのモジュールの中には、機能が明確に規定されるものが多くあり、モジュールのかき混ぜが起きたことが明らかである。ヘリックス・ターン・ヘリックス・モジュールには、異なる機能を持つモジュールへの分化が見られた。

【研究分担者】
由良敬	名古屋大学	大学院・理学研究科	助手	(Kakenデータベース)
野口俊之	名古屋大学	大学院・理学研究科	助教授	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
由良敬	名古屋大学	理学部	助手	(Kakenデータベース)
野口俊之	名古屋大学	理学部	助教授	(Kakenデータベース)