タンパク質の構造は定石ではない(Protein Structures Aren’t Set in Stone)

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植物酵素の研究から、タンパク質は驚くほど簡単に構造配置を変えられることが判明。 Study on plant enzyme shows that proteins can change their structural arrangement with surprising ease

2022-08-26 ローレンスバークレー国立研究所(LBNL)

研究グループは、世界で最も大量に存在するタンパク質である光合成酵素ルビスコを研究し、進化によって、同じ仕事をする分子集合体が驚くほど多様化することを明らかにしました。
同チームは、バクテリアと光合成微生物の一部で見られるルビスコの一種(フォームII)について、原子レベルの分解能をもつ従来の結晶学と、分解能は低いが液体混合物中のタンパク質を本来の形でスナップショットできる別の構造解析技術、小角X線散乱(SAXS)を併用して研究を行った。小角X線散乱法にはハイスループットという利点もあり、何十個ものタンパク質集合体を次々に処理することができる。
多様な微生物種から採取したルビスコのサンプルを調べた結果、ほとんどのフォームIIルビスコタンパク質が実際には6量体であり、まれに2量体もあることを確認し、これまでに見たことのない4量体(4ユニット)集合体を発見した。
この構造データとそれぞれのタンパク質をコードする遺伝子配列を組み合わせることで、研究チームは祖先配列再構成を行った。
その結果、フォームIIルビスコの遺伝子は進化の過程で変化し、新しい形に変形したり古い構造に戻ったりすることが極めて容易な、さまざまな構造をもつタンパク質を生み出すようになったことが示唆された。

<関連情報>

構造可塑性によるRuBisCO集合体の進化と革新 Structural plasticity enables evolution and innovation of RuBisCO assemblies

Albert K. Liu,Jose H. Pereira,Alexander J. Kehl,Daniel J. Rosenberg,Douglas J. Orr,Simon K. S. Chu,Douglas M. Banda ,Michal Hammel,Paul D. Adams ,Justin B. Siegel ,Patrick M. Shih
Science Advances  Published:26 Aug 2022
DOI: 10.1126/sciadv.adc9440

Abstract

Oligomerization is a core structural feature that defines the form and function of many proteins. Most proteins form molecular complexes; however, there remains a dearth of diversity-driven structural studies investigating the evolutionary trajectory of these assemblies. Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase-oxygenase (RuBisCO) is one such enzyme that adopts multiple assemblies, although the origins and distribution of its different oligomeric states remain cryptic. Here, we retrace the evolution of ancestral and extant form II RuBisCOs, revealing a complex and diverse history of oligomerization. We structurally characterize a newly discovered tetrameric RuBisCO, elucidating how solvent-exposed surfaces can readily adopt new interactions to interconvert or give rise to new oligomeric states. We further use these principles to engineer and demonstrate how changes in oligomerization can be mediated by relatively few mutations. Our findings yield insight into how structural plasticity may give rise to new oligomeric states.

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細胞遺伝子工学
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