Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

モジュール / 機能予測 / 3Dキーノート / ヒトゲノム / ゲノム情報 / 低分子結合 / タンパク質高次構造 / データベース / タンパク質機能 / イントロン / ゲノム機能予測 / モジュールシャッフリング / DNA結合 / 形質転換 / らん藻ゲノム / 金属イオン結合 / リン酸基結合 / キシラナーゼ

本研究の目的はモジュールに基づいてプロテオームの機能を予測する技術を研究開発することであった。モジュールは空間情報であるため、進化の過程でアミノ酸配列よりも保存されることから、モジュールを使えばモチーフを使うよりも高感度に機能予測ができる。モジュールの知識情報を見通しよく整理して分類することにより、ゲノム情報からタンパク質機能を予測する方法の確立と実用化を目的とした。立体構造が解析されたタンパク質をすべてモジュールに分解して、それを分類することにより、得られたアミノ酸相互作用情報により、機能未知のタンパク質の機能予測を試みた。最初の2年間にモジュールの知識を体系化し、特にDNA、RNAとの相互作用に関わるモジュール知識を中心におき、プロテオームの機能予測の基盤技術を形成した。後半の2年間において、機能別にモジュールとアミノ酸配列パターンの対応づけを確立して実際にゲノムの機能予測法を開発した。公開されているすべてのゲノム情報に対して、機能未知の遺伝子の機能予測(低分子などの結合の予測)を現在までに終了している。特に、ヒトゲノムの機能未知の遺伝子にも適用しアノテーションに寄与することができた。具体的な成果を大きく分けると、(1)予測法の開発とデータベースの構築と(2)予測結果の実験による検証の2つに分けられる。成果は原著論文とデータベース(URL : http://daisy.nagahama-i-bio.ac.jp/golab/hetpdbnavi.html),(URL : http://daisy.nagahama-i-bio.ac.jp/famsbase/index.html),(URL : http://daisy.nagahama-i-bio.ac.jp/keynote/AK074299.html)として公開した。今後、新たなプロジェクトを進めて各種ゲノムについて予測された結合機能の実証研究に進めていきたい。

モジュール分類 / シャッフリング / イントロン / 膜タンパク質 / ペルオキシターゼ / 金属イオン / 核酸との相互作用 / 機能微調整 / ペルオキシダーゼ / モジュール / ゲノム情報 / ヘモグロビン / サブユニット接触 / タンパク質機能 / モジュールシャッフリング / タンパク質相互作用 / 金属イオン結合 / ミニバルナ-ゼ / フィコシアニン / リン酸基結合 / キシラナーゼ / キメラ酵素 / 糖結合 / 3Dキーノート

タンパク質の機能は全体構造に担われているわけではなく、(1)むしろ局所構造としてのモジュールが機能を担うこと、(2)モジュールを部品として生物が進化の過程で行ってきたタンパク質デザインの実体を明らかとする目的で本研究を開始した。結果として、タンパク質の各種の機能は局所的であり、ほとんどの機能はモジュールにアサインできることがわかった。例えば、(1)ファミリー10キシラナーゼの触媒ドメインにおいて、機能部位はモジュー・ルに局在し、(2)金属イオンの配位子は多くの場合1個または2個のモジュールに局在していた。しかも、構造も機能も全く異なるタンパク質に、立体構造が類似で同様の機能を持つモジュールが頻繁に存在することから、シャッフルされたモジュールである可能性が示された。(3)タンパク質間相互作用が共通のモジュールによって担われているケースも発見した。(4)ヘモグロビンのサブユニット間相互作用は、サブユニット当たり主に2個のモジュールが関わっているに過ぎない。この局在性が、様々な系統におけるヘモグロビンのサブユニット構成の多様性を生む1つの要因であると考えられる。さらに、実験によりモジュールはシャッフリングが可能なユニットであることを示した。例えば、(1)RNasbの一種であるバルナーゼからモジュールM2を欠失させても、天然構造に近い立体構造を形成し、また天然タンパク質に特有の2状態転移を示した。(2)ファミリー10に属する2種のキシラナーゼ間でモジュールM10を交換したキメラ・キシラナーゼにおいて、酵素活性は10分の1に下がったものの、構造と機能が維持されていた。本研究により、モジュールに基づくタンパク質デザインの基本原理の一端を、計算科学と実験科学の両側面から明らかにすることができた。

モジュール / イントロン / エクソンかき混ぜ / 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。

【研究分担者】
藤博幸	京都大学	化学研究所バイオインフォマティクス・センター	客員教授	(Kakenデータベース)
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)
籐博幸	生物分子工学研究所	情報解析部門	主任研究員

【研究分担者】
由良敬	日本原子力研究所	計算科学技術推進センター	研究員	(Kakenデータベース)
高橋健一	名古屋大学	大学院・理学研究科	助手	(Kakenデータベース)

【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)