タンパク質複合体構造の進化の歴史は繰り返す~大規模ゲノム情報からの偶然の発見をもとに実験で証明~

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2025-09-22 東京大学

東京大学大学院理学系研究科の今野直輝客員共同研究員、古澤力教授らの研究チームは、細菌ゲノム解析からアルコール代謝に関与する新規二機能酵素BdhEを発見し、その複合体構造が別系統の融合酵素AdhEと収斂進化していることを明らかにしました。BdhEはアルデヒド脱水素酵素(ALDH)とアルコール脱水素酵素(ADH)が融合した酵素で、一つのタンパク質で二段階の反応を効率的に触媒できます。クライオ電子顕微鏡解析により、AdhEは螺旋型多量体、BdhEは環状四量体を形成する一方、両者はいずれもALDH-ADH二量体を基本単位とし、中間産物アルデヒドを効率的に受け渡す構造を備えていることが判明。これは共通の選択圧下で立体構造が繰り返し進化した例であり、タンパク質複合体スケールでの収斂進化を初めて実証しました。本成果はNature Communicationsに掲載され、タンパク質進化の法則理解とともに、バイオエタノール生産に資する新規酵素資源として応用が期待されます。

タンパク質複合体構造の進化の歴史は繰り返す~大規模ゲノム情報からの偶然の発見をもとに実験で証明~
融合酵素AdhEとBdhEでは複合体構造が収斂進化している*9/22図差し替え

<関連情報>

収斂的遺伝子融合に続くタンパク質構造進化の再現性 Repeatability of protein structural evolution following convergent gene fusions

Naoki Konno,Keita Miyake,Satoshi Nishino,Kimiho Omae,Haruaki Yanagisawa,Saburo Tsuru,Yuki Nishimura,Masahide Kikkawa,Chikara Furusawa & Wataru Iwasaki
Nature Communications  Published:22 September 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-025-63898-x

Abstract

Convergent evolution of proteins provides insights into repeatability of genetic adaptation. While local convergence of proteins at residue or domain level has been characterized, global structural convergence by inter-domain/molecular interactions remains largely unknown. Here we present structural convergent evolution on fusion enzymes of aldehyde dehydrogenases (ALDHs) and alcohol dehydrogenases (ADHs). We discover BdhE (bifunctional dehydrogenase E), an enzyme clade that emerged independently from the previously known AdhE family through distinct gene fusion events. AdhE and BdhE show shared enzymatic activities and non-overlapping phylogenetic distribution, suggesting common functions in different species. Cryo-electron microscopy reveals BdhEs form donut-like homotetramers, contrasting AdhE’s helical homopolymers. Intriguingly, despite distinct quaternary structures and < 30% amino acid sequence identity, both enzymes forms resemble dimeric structure units by ALDH-ADH interactions via convergently elongated loop structures. These findings suggest convergent gene fusions recurrently led to substrate channeling evolution to enhance two-step reaction efficiency. Our study unveils structural convergence at inter-domain/molecular level, expanding our knowledges on patterns behind molecular evolution exploring protein structural universe.

生物化学工学
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