タンパク質高次構造に視点を置いた「分子構造系統学」の新展開

1996 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 07304050
• Research Institution: National Institute of Genetics
• Principal Investigator: たて野 義男 国立遺伝学研究所, 生命情報研究センター, 教授 (00202424)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 山口 宏 大阪大学蛋白質研究所, 物理構造部門, 助手 (10252719) ; 森山 英明 東京工業大学, 生命理工学部, 助手 (50200457) ; 五條堀 孝 国立遺伝学研究所, 生命情報研究センター, 教授 (50162136)
• Keywords: 分子系統 / タンパク質高次構造 / 進化モチーフ / ウイルス進化 / 正の自然選択 / チトクローム酸化酵素 / 脱水素酵素

Research Abstract

当課題研究では、生体タンパク質分子の系統進化を従来の1次構造からの考察に加えて、3次構造からの視点を積極的に取り入れて、解明することにある。この解明が進むことにより、遺伝子自身の起源と進化が明らかにされることが期待される。
このため、まず、国際DNAデータバンクに集められている全てのデータを自動翻訳して、タンパク質の1次構造データベースを作り、それを相同性を基準にして分類した。次に各々の分類群について、それに属するタンパク質の進化系統関係を取り入れて、マルチプルアライメントを実行した。その結果を利用して、進化的に保存されている領域(Evolutionary Motif、EM)を探索した。このEMこそが現在の遺伝子の起源的姿を反映していると考えられる。つまり、現在の遺伝子は、種々のEMの離合集散の結果形成されたものと考えられる。
EMは、疎水アミノ酸が主となっている疎水型、親水アミノ酸が主となっている親水型そして中間型に分けることができる。従って、疎水性は、タンパク質の内部で構造的な役割を担い、親水型は、表面で機能的な分担を果たす、と考えることができる。現在、タンパク質の高次構造にこれらのEMを投影して、この検証を行っている。
また、遺伝子の進化機構を探るため、やはり大量のタンパク質1次構造データベースを利用し、各々のタンパク質をコードする遺伝子の塩基置換様式を解析した。その結果90%以上の遺伝子が中立的な進化をしていることが明らかになった。つまり、残りの少数が正の自然淘汰を受けていることになる。従って、大半の遺伝子の進化は中立的な進化機構で説明できる。
更に、脱水素酵素のチトクローム酸化合酵素などのタンパク質の3次構造を実際に決定することにより、それらの精密な反応系や、ドメイン構造が非常に明確になった。これらの高次構造解析結果は、上記のように、「遺伝子はその特定な部分構造を単位として生成され、進化している」ことを強く支持する。

Research Products

• [Publications] Qu,C.ら: "A mutation at the interface between domains causes rearrangement of domains in 3-isopropylmalate dehydrogenase" Protein Engineering. (in press).
• [Publications] Igarashi,N.ら: "Detwinning of hemihedrally twinned crystals by the least squares method and its application to the crystal of hydroxylamine oxidoreductase from Nitrosomonas europaea" Applied Crystallography. (in press).
• [Publications] Igarashi,N.ら: "The 2.8 Å structure of hydroxylamine oxidoreductase from a nitrifying chemoautotrophic bacterium,Nitrosomonas eurapaea" Nature Structure Biology. (in press).
• [Publications] Tateno,Y.ら: "Evolutionary Motif and Its Biological and Structural Significance" J.Mol.Evol.44. S38-S43 (1997)
• [Publications] Tateno,Y.ら: "DNA Data Bank of Japan in the age of information biology" Nucleic Acids Res.25・1. 14-17 (1997)
• [Publications] Yamaguchi,Y.ら: "Evolutionary mechanisms and population dynamics of the third variable envelope region of HIV within single hosts" Proc.Natl.Acad.Sci.USA. 94. 1264-1269 (1997)
• [Publications] Endo,T.ら: "Large-Scale Search for Genes on Which Positive Selection May Operate" Mol.Biol.Evol.13・5. 685-690 (1996)
• [Publications] Nagata,C.ら: "Cryocrystallography of 3-Isopropylmalate Dehydrogenase from Thermus thermophilus and its Chimeric Enzyme" Acta Cryst.D52. 623-630 (1996)
• [Publications] Tsukihara,T.ら: "The Whole Structure of the 13-Subunit Oxidized Cytochrome c Oxidase at 2.8 Å" Science. 272. 1136-1144 (1996)
• [Publications] Oda,Y.ら: "Crystallization and preliminary X-ray diffraction analysis of two lysinal derivatives of Achromobacter protease I" Acta Cryst.D52. 1027-1029 (1996)