Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

モジュール / 金属イオン / 亜鉛 / マグネシウム / カルシウム / 配位子 / モチーフ

本年度は、立体構造が判明しているタンパク質で数多く見られるすべての金属イオン、カルシウム、マグネシウム及び亜鉛イオンにおいて、それぞれのイオンがいくつのモジュールに配位するのか、及びそれぞれのイオンの配位部位に類似のモジュールが存在するのかを調べた。タンパク質における金属イオン配位子の今までの研究では、タンパク質における金属イオンの配位子は、アミノ酸配列上全体に散らばっていると考えられていた。しかし、多くのタンパク質で調べたところ、カルシウム、マグネシウム、亜鉛イオンにおいては、約75%の場合は配位子が局在していることがわかった。タンパク質のコンパクトな構造単位であるモジュールと金属イオン配位子の関係を見ると、金属イオン配位子は、ひとつないしは二つのモジュールに局在していることがわかった。これら金属イオン配位子を持つモジュールの立体構造を比較すると、どの金属イオンにおいても、類似立体構造をもつ金属イオン配位モジュールが存在することがわかった。各金属イオンを配位する類似立体構造のモジュールにおいて、それらのアミノ酸配列を比較すると、モジュール全体にわたって類似性が見られる場合と類似性が見られない場合とがある。モジュール全体にわたって類似性が見られる場合は、すでにアミノ酸配列のモチーフが報告されているが、モチーフによって推定できるタンパク質の金属配位部位は、立体構造解析によって判明している金属配位部位の約30%にすぎない。立体構造が類似でアミノ酸配列モチーフが見られない場合でも、金属イオン配位子となる残基は同一または類似残基であった。特に亜鉛イオンの場合はヒスチジンかシステインによって配位されている場合が約75%であった。ゲノム配列から予測される機能未知アミノ酸配列が大量にデータベースに存在することより、類似立体構造を持つ金属イオン配位モジュールのアミノ酸配列から何らかの共通性を見いだし、アミノ酸配列から金属配位モジュールを推定できるようにすることが次の課題となる。

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。

【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)