構造は機能に等しい:高校の生物でタンパク質について学んだことが 1 つあるとすれば、それはそれです。細胞の教科書の話によると、タンパク質の 3 次元形状によって、その機能が決まります。つまり、化学反応を促進したり、細胞の情報スーパーハイウェイを上下に信号を渡したり、分子タグを DNA にぶら下げたりします。 1 世紀以上にわたり、生物学者は、これらの機能を実行するタンパク質は、細胞機構の硬い歯車のようなものだと考えてきました.
もちろん、例外はときどき発生します。科学者は、その機能を完璧に果たしながら、厳密な構造を持たないタンパク質に出くわすかもしれません。ほとんどの研究者は、これらのケースを実験エラーのせいにするか、取るに足らない異常値として却下しました。
しかし最近になって、生物学者はこれらのシェイプシフターに注目し始めました。彼らの発見は、構造と機能の定説を打ち破っています。
タンパク質はアミノ酸がつながった鎖であり、最近の研究では、ヒトのタンパク質を構成する全アミノ酸配列の最大半分が、明確な形に折り畳まれていないと推定されています. (この合計を構成するタンパク質の一部は端から端まで構造化されていませんが、構造化されたものと並んで長い非構造化領域を含むものもあります。)彼らはそれを無視しました」と、トロント大学病院の生化学者であるジュリー・フォーマン・ケイは言いました. 「そして部分的には、彼らはそれをどう考えればよいかわからなかったのです。」
「内因性障害」と呼ばれるこの流動性は、構造化されたタンパク質にはない一連の超能力をタンパク質に与えます.折り畳まれたタンパク質は、鍵の鍵のように 1 か 2 か所だけでターゲットにしっかりと結合する傾向がありますが、より引き伸ばされた波状の従兄弟は分子ベルクロのように、複数の場所で軽く付着し、簡単に解放されます。細胞内でのこのクイック オン クイック オフ結合の効果は非常に大きい。これにより、本質的に無秩序なタンパク質 (略して IDP) が大量の分子メッセージを同時にまたは矢継ぎ早に受信して応答できるようになり、本質的にそれらをセルラー メッセージング ハブ。これらの複数の信号を統合し、セルの環境の変化に応じて信号のオンとオフを切り替え、セルラー プロセスを適切に動かし続けます。
研究者たちは、このパラダイム シフトが細胞内で起こっていることについて私たちが知っていることをどのように変えるかを理解し始めたところです。しかしすでに、国内避難民は多くの生物学的プロセスに足を置いているようです。過去 10 年間に蓄積された証拠と、細胞が分裂するプロセスによると、IDP はシグナル伝達能力を通じて、DNA コードからタンパク質を生成するためのアクセルペダルとブレーキペダルの調節を支援します。 IDP は、細胞が体のさまざまな組織または部分に固有の特性を帯びることを可能にする手がかりを提供する場合もあります。つまり、血球を血球に、筋細胞を筋細胞にするのに何らかの形で役立つ可能性があります。生物学者は、多くの無秩序なタンパク質が神経変性障害、癌、その他の疾患に関与していることも発見しています.
カリフォルニア州ラホーヤにあるスクリプス研究所の構造生物学者であるピーター・ライトは、次のように述べています。最近の暴露に応えて、国際的な研究者グループは、無秩序なタンパク質がどのように病気を引き起こすかを研究するために、Human Dark Proteome Initiative と呼ばれるプロジェクトを立ち上げました。科学者たちは、これらのシェイプシフターが何をしようとしているのかについて、まだ学ぶべきことがたくさんあることを知っています. 「これは細胞生物学の再構想です」と、ケンブリッジ大学の分子生物学者マダン・バブは言いました。
フォールドの外
ライトと彼の緊密な協力者であるジェーン・ダイソンは、20 年以上前に IDP の重要性を初めて認識しました。当時、ライトの研究室の研究者だったリチャード・クリワッキは、細胞分裂の制御に役立つ p21 と呼ばれるタンパク質の構造を決定しようとして、奇妙な結果を出し続けました。 「リッチ、あなたは準備を台無しにしました。もう一度やり直してください」とライトは彼に言いました。しかし、3 回目の実行の後、彼らは結果が正しいに違いないと考えました。 p21 は、それ自体では無形に浮遊しているように見えましたが、通常は結合するタンパク質を見つけると、注目を集め、しっかりとした形をとっています。結果として得られた 1996 年の論文は、構造と機能のパラダイムに直接挑戦した最初の論文の 1 つです。
クリワッキが実験を行っていた頃、ワシントン州立大学の北約 1,200 マイルで、生化学者の A. キース ダンカーは、元学生のチャールズ キッシンジャーの話を聞いていました。演説者は、カルシニューリンと呼ばれる免疫系タンパク質の構造を決定することの難しさをひどく説明しました。キッシンジャーは、このセグメントが構造化されていないに違いないことを認識していましたが、他の分子との相互作用の調節や自身の活動のオンとオフの切り替えなど、タンパク質の最も重要な機能の一部を制御するセンターが含まれていることも知っていました。この話は、ダンカーに、細胞に感染する巧妙な方法を持ったウイルスタンパク質に関する彼自身の研究を思い出させました:折りたたむと、大きすぎて細胞の膜を通過できませんでしたが、ぐったりとフロッピーを破片のように伸ばして侵入しました.ひもをくぐらせてすり抜ける
これはダンカーに考えさせました — これらのさまざまな機能を促進する無秩序の性質そのものについて何かがあるのでしょうか? 「電球が消えるということわざの漫画のようでした」と彼は思い出しました。 「真剣に、その日の午後、私は自分の研究を完全に変えました。」
彼は、科学文献を調べて無秩序なタンパク質の例を探し始め、すぐにそのうちの 15 または 20 を見つけました。その後、彼と共同研究者は、各タンパク質を形成するアミノ酸の配列をマッピングし、構造化されたタンパク質の配列と比較するコンピューター プログラムを開発しました。通常、一部のアミノ酸は細胞内の水ベースの液体との接触を避けるためにできる限りのことを行うため、タンパク質は折りたたまれます.油が水中で丸くなるのと同じように、タンパク質の疎水性領域が保護のために凝集し、水を気にしないタンパク質の部分がそれらの上に折り畳まれます.ダンカーの分析により、無秩序なタンパク質は、構造化されたタンパク質とは非常に異なるアミノ酸配列を持っていることが明らかになりました。彼がシーケンスされたタンパク質のデータベースでこれらの違いを探したとき、驚くほど多数の無秩序な容疑者が飛び出しました.さらに興味深いことに、より複雑な生物では、より高いパーセンテージのタンパク質配列が乱れています。たとえば、細菌 Escherichia coli のアミノ酸の約 20% です。 は無秩序ですが、その割合は少なくとも人間の 2 倍です。
しかし、全体として生物学者は、国内避難民が興味深いことや重要なことをしているとは確信していませんでした。多くの人は、タンパク質は人工実験室の環境で展開するかもしれないが、細胞内では形を成しているに違いないと主張した.そして、細胞内で自然な状態で少し動き回ることができたとしても、Kriwacki の p21 が行ったように、拘束力のあるパートナーに遭遇すると、確実に構造化された位置にスナップします。懐疑論者は、無秩序なタンパク質は 1 回限りのもの (外れ値) である必要があり、古典的な構造と機能の定説が成り立つと考えていました。
「それに対する私たちの答えは、それは真実ではありませんでした」とライトは言いました。
構造のない関数
タンパク質障害は連続体に沿って発生します。スペクトルの一端には、他のタンパク質と接触すると折り畳まれる p21 のようなタンパク質があります。もう一方の端には、ぬれた麺のストランドのようにぐったりとフロッピーのままで、決して形をとらないものがあります.この範囲がどのように多様な機能に対応しているかはまだわかっていませんが、鍵穴のある塊というよりはひもに似ているということは、タンパク質が他の分子と多くの接触をして、細胞を駆動するシグナルのネットワークを調節できることを意味します。 「あらゆる種類の機能のオン/オフ スイッチがすべてあります」とダンカーは言いました。
しかし、多細胞生物の IDP は、生物によって異なりますが、遺伝子が作ることができるタンパク質の 30 ～ 50% を占めていますが、どの時点でも、それらは細胞内にごく少量しか存在しないことがわかっています。 Babu は 2008 年にこの発見をしました。これは、彼の研究室の研究者がちょっとした疑問を提起した後です。これらの展開されたタンパク質が実際に非常に一般的であり、それらの多くがぐったりしたスパゲッティのように細胞の周りを浮遊している場合、なぜそれらはすべて絡み合っていないのでしょうか。 、または他の分子が絡み合って細胞に問題を引き起こしていますか？彼らが約 5,000 のヒトタンパク質のデータベースを調べたところ、ほとんどの非構造タンパク質は少量しか発現せず、機能を果たした後はすぐに破壊されることがわかりました.
細胞がその生産を非常に厳密に調節し、すぐにターンオーバーするようにする理由は、IDP が大きな影響力を持っているからだと、バブ氏は言います。人数が多すぎるということは、上層部が過剰に管理されているようなものです。あまりにも多くの人が命令を叫ぶと、生産性が低下します。ただし、そのロジックをセルに拡張すると、状況が悪化する可能性があります。IDP は、セルのさまざまなコンポーネントが相互に通信する方法を規制するため、余分なコピーが浮遊していると、送信されるべきではない信号を送信したままになる可能性があります。 「これらのタンパク質は非常に危険なので、規制しないわけにはいきません」とバブは言いました。
Babu の研究は、無秩序なタンパク質が細胞内でどのように調節されているかについての生物学的原理を初めて明らかにしたものです。翌年、スペインのバルセロナにある Center for Genomic Regulation の Ben Lehner のグループによる論文は、細胞がこれらのタンパク質を過剰に産生すると細胞が死ぬことを発見しました。無秩序の生物学的重要性を実証することにより、この 2 つの論文はこの分野を地図に載せたと Kriwacki 氏は述べています。 「多くの生物学者は、本質的に無秩序なタンパク質が本当に重要であることを理解しました。それらは、構造生物学者のグループの単なる想像の産物ではありません。」
それまで IDP の重要性が見落とされていたのは当然のことです。なぜなら、最近まで、タンパク質を研究するために使用されるほとんどの方法では IDP が見落とされていたからです、と Babu は述べています。 「ランプシェードの下の鍵を探す古典的なパラダイムのようなものです。」
タンパク質の形状を決定するための最も一般的なアプローチは、1960 年代に開発されたタンパク質結晶学と呼ばれる手法でした。タンパク質結晶学では、タンパク質の純粋なサンプルを分離し、タンパク質を結晶化させ、結晶に X 線を照射し、光が跳ね返る場所をマッピングします。問題は、固定された形状がないため、IDP が結晶化しないことです。そのため、研究者は完全に無秩序なタンパク質を無視したり、無秩序な部分を切り取る方法を見つけたりすることになりました.カリフォルニア大学バークレー校の James Hurley は、次のように述べています。 「せいぜい、それらを興味深い部分を接続するリンカーと見なしただけです。」
彼にとって転機は 5 年前に訪れました。同僚が、乱れたタンパク質の一部が細胞の液体に一時的に浮遊して存在する液滴を形成できることを示唆するデータを示したときです。研究者は、このプロセスがどのように、またはなぜ発生するのかを正確にはわかっていませんが、シグナル伝達のために分子をまとめると推測する人もいます. 「その時点で、これは大変なことになると思いました」とハーレーは言いました。
ハーレー自身の専門分野は、2016 年のノーベル生理学・医学賞のテーマとなった分子の自己共食いの一形態であるオートファジーです。過去数年で、彼と他の人々は、2 つの無秩序なタンパク質がプロセスの開始を助けることを発見しました。ハーレーは、これらの無秩序な領域が弱い接着剤のように機能し、オートファジーに必要な分子成分をまとめるために、硬すぎず緩すぎないちょうどいいレベルの凝集を作り出していると推測しています。
乱れたタンパク質が細胞内でどのような働きをするかを研究し続ける中で、研究者は乱れたタンパク質がどのように機能するかについての基本的な疑問も追求しています。タンパク質に無秩序領域と秩序領域の両方がある場合、この 2 つはどのように相互作用するのでしょうか?無秩序なタンパク質の進化は、折りたたまれたタンパク質の進化とどのように異なっていましたか?また、分子は無秩序なタンパク質のどこに付着するかをどのように判断するのでしょうか?過去 5 年間で IDP を調査するためのコンピューター解析と実験室ツールの両方が改善されましたが、生きた細胞でそれらを直接研究することは依然として課題である、と Wright 氏は述べています。
研究者はまた、無秩序なタンパク質がどのように病気に寄与するかを調べたいと考えています.ほとんどの薬は、細胞内の重要な場所に侵入することで、特定の疾患経路を妨害するように設計されています。しかし、研究者は IDP をターゲットにし始めたばかりです。
