タンパク質 A、B、C は、選択的スプライシングを通じて同じ遺伝子からコード化されたアイソフォームです。

タンパク質アイソフォーム、または「タンパク質バリアント」[1]は、単一の遺伝子に由来し、遺伝的差異の結果である、非常に類似したタンパク質セットのメンバーです。 [2]多くのアイソフォームは同じまたは類似の生物学的役割を果たしますが、独自の機能を持つものもあります。 タンパク質アイソフォームのセットは、選択的スプライシング、可変プロモーターの使用、または単一遺伝子のその他の転写後修飾から形成される可能性があり、翻訳後修飾は通常考慮されません。（これについては、プロテオフォームを参照してください。）RNAスプライシングのメカニズムを通じて、mRNAは遺伝子の異なるタンパク質コードセグメント（エクソン）、またはRNAのエクソンの異なる部分を選択して、異なるmRNA配列を形成できます。 各固有の配列は、特定の形態のタンパク質を生成します。

アイソフォームの発見は、ヒトゲノムプロジェクトによって明らかにされた遺伝子のタンパク質コード領域の少なさと、生物に見られるタンパク質の多様性との間の矛盾を説明できる可能性がある。同じ遺伝子によってコードされる異なるタンパク質は、プロテオームの多様性を高める可能性がある。RNAレベルのアイソフォームは、cDNA転写研究によって容易に特徴付けられる。多くのヒト遺伝子は、選択的スプライシングアイソフォームの存在が確認されている。ヒトでは約10万個の発現配列タグ（EST）が同定できると推定されている[1] 。タンパク質レベルのアイソフォームは、通常タンパク質表面に位置するドメイン全体または短いループの欠失として現れることがある[3] 。

意味

1つの遺伝子が、構造と組成の両方が異なる複数のタンパク質を生成する能力を持っている。[4] [5]このプロセスはmRNAの選択的スプライシングによって制御されているが、mRNA転写産物アイソフォームの豊富さが必ずしもタンパク質アイソフォームの豊富さと相関しているわけではないため、このプロセスがヒトプロテオームの多様性にどの程度影響するかは明らかではない。[6] 3次元タンパク質構造の比較は、もしあるとすればどのアイソフォームが機能的なタンパク質産物を表すかを判断するのに役立ち、ヒトプロテオームのほとんどのアイソフォームの構造はAlphaFoldによって予測され、isoform.ioで公開されている。[7]翻訳されたアイソフォームの特異性は、タンパク質の構造/機能だけでなく、それらが生成される細胞の種類と発達段階によっても決まる。[4] [5]タンパク質が複数のサブユニットを持ち、各サブユニットが複数のアイソフォームを持つ場合、特異性の決定はより複雑になる。

例えば、5'AMP活性化プロテインキナーゼ（AMPK）は、ヒト細胞内でさまざまな役割を果たす酵素であり、3つのサブユニットを持っています。[8]

ヒトの骨格筋では、α2β2γ1が好ましい形態である。[8]しかし、ヒトの肝臓では、α1β2γ1が最も豊富である。[8]

機構

RNAスプライシングの異なるメカニズム

タンパク質アイソフォームを生成する主なメカニズムは選択的スプライシングと可変プロモーターの使用ですが、突然変異や多型などの遺伝的変化による変更も、異なるアイソフォームと見なされることがあります。[9]

選択的スプライシングは、mRNA転写産物アイソフォームを生成する主要な転写後修飾プロセスであり、タンパク質の多様性に寄与する可能性のある主要な分子メカニズムです。[5]スプライソソームは大きなリボ核タンパク質であり、核内の分子機械であり、RNAの切断と連結を担い、非タンパク質コード領域（イントロン）を除去します。[10]

スプライシングは転写と翻訳の間に起こるプロセスであるため、その主な影響は主にゲノミクス技術を通じて研究されてきました。たとえば、マイクロアレイ解析やRNAシーケンシングは、選択的スプライシングを受けた転写産物を特定し、その存在量を測定するために使用されてきました。[9]転写産物の存在量は、タンパク質アイソフォームの存在量の代理としてよく使用されますが、ゲル電気泳動と質量分析を使用したプロテオミクス実験では、転写産物とタンパク質の数の相関は低いことが多く、通常は1つのタンパク質アイソフォームが優勢であることが実証されています。[11] 2015年の1つの研究では、この矛盾の原因はおそらく翻訳後に発生するが、そのメカニズムは基本的に不明であると述べられています。[12]その結果、選択的スプライシングは変異と疾患の重要な関連として関連付けられていますが、それが主に新しいタンパク質アイソフォームを生成することによって作用するという決定的な証拠はありません。[11]

選択的スプライシングとは、一般的に、スプライシング機構によって意図的に選択的転写産​​物が生成される、厳密に制御されたプロセスを指します。しかし、このような転写産物は、「ノイジースプライシング」と呼ばれるスプライシングエラーによっても生成され、タンパク質アイソフォームに翻訳される可能性があります。マルチエクソン遺伝子の約95%は選択的スプライシングを受けると考えられていますが、ノイジースプライシングに関するある研究では、低濃度の転写産物のほとんどがノイズであることが観察され、細胞内に存在する選択的転写産​​物およびタンパク質アイソフォームのほとんどは機能的に重要ではないと予測されています。[13]

その他の転写および転写後の調節ステップも、異なるタンパク質アイソフォームを生成する可能性があります。[14]可変プロモーターの使用は、細胞の転写機構（RNAポリメラーゼ、転写因子、およびその他の酵素）が異なるプロモーター（最初の結合部位として機能する遺伝子の近くのDNA領域）で転写を開始するときに発生し、わずかに変更された転写産物とタンパク質アイソフォームが生成されます。

特徴

一般的に、あるタンパク質アイソフォームは、その存在頻度や、他の種における相同配列（機能的に類似する配列）との類似性といった基準に基づいて、標準配列として分類されます。[ 15]ほとんどのアイソフォームは類似した配列を持ち、標準配列と一部から大部分のエクソンを共有しているため、アイソフォームは類似した機能特性を持つと想定されています。しかし、一部のアイソフォームは（例えば、トランススプライシングなどにより）はるかに大きな分岐を示し、標準配列とエクソンをほとんど、あるいは全く共有しません。さらに、アイソフォームは異なる生物学的効果を持つ場合もあり、例えば極端なケースでは、あるアイソフォームの機能は細胞の生存を促進するのに対し、別のアイソフォームの機能は細胞死を促進するなどです。また、基本的な機能は類似しているものの、細胞内局在が異なる場合もあります。[16]しかし、2016年の研究では、1,492個の遺伝子のすべてのアイソフォームの機能的特徴が明らかにされ、ほとんどのアイソフォームが「機能的アロフォーム」として振る舞うことが明らかになりました。著者らは、ほとんどのアイソフォームの機能が重複していないことを観察した後、アイソフォームは異なるタンパク質のように振る舞うという結論に達した。[17]この研究はin vitro細胞を用いて行われたため、発現したヒトプロテオーム中のアイソフォームがこれらの特性を共有しているかどうかは不明である。さらに、各アイソフォームの機能は一般的に個別に決定する必要があるため、同定および予測されたアイソフォームのほとんどは依然として機能が不明である。

種類

アイソフォームは、その違いの性質に基づいて、構造アイソフォームと配列アイソフォームに分類できます。構造アイソフォームは、エクソンのスキップ/インクルージョン、選択的5'または3'スプライス部位、イントロン保持など、異なるエクソン構成をもたらす選択的スプライシングイベントによって生じます。これらのメカニズムにより、異なるドメイン構造を持つ転写産物とタンパク質が生成されます。例えば、機能ドメイン全体のインクルージョンまたは除外、あるいは部分的なエクソン配列の追加または削除を行う選択的ドナー/アクセプター部位の使用などが挙げられます。一方、配列アイソフォームは、通常、単一のヌクレオチド変異、挿入、欠失、または翻訳後修飾によって生じ、エクソン全体の構造は変化せずにアミノ酸配列が変化することによって引き起こされます[18]。

選択的スプライシングは、 mRNA転写産物アイソフォームを生成する主要な転写後修飾プロセスであり、アイソフォームは異なる機能、活性、または発現パターンをもたらす可能性があります[19]。この区別は機能的に重要です。構造アイソフォームは、タンパク質ドメイン全体の有無によってしばしば劇的に異なる特性を示しますが、配列アイソフォームはより微妙な機能的変異を示す場合があります。どちらのメカニズムもプロテオームの多様性に大きく寄与しており、選択的スプライシングによる構造変異は特に高等真核生物で顕著であり、マルチエクソン遺伝子の大部分に影響を与えています。

グリコフォーム

グリコフォームは、結合したグリカンの数またはタイプに関してのみ異なるタンパク質のアイソフォームです。糖タンパク質は、結合した糖またはオリゴ糖が変化した多くの異なるグリコフォームから構成されることがよくあります。これらの変更は、グリコシル化の過程での生合成の違い、またはグリコシダーゼやグリコシルトランスフェラーゼの作用により生じます。グリコフォームは、分離されたグリコフォームの詳細な化学分析によって検出できますが、レクチンアフィニティークロマトグラフィーやレクチンアフィニティー電気泳動などのレクチンとの分別反応によってより簡便に検出できます。グリコフォームで構成される糖タンパク質の一般的な例としては、オロソムコイド、アンチトリプシン、ハプトグロビンなどの血液タンパク質があります。珍しいグリコフォームのバリエーションは、ポリシアリン酸 PSAを含む神経細胞接着分子 NCAMに見られます。

例

  • G-アクチン: その保存された性質にもかかわらず、さまざまな数のアイソフォームが存在します (哺乳類では少なくとも 6 種類)。
  • 血液中に存在することが心筋梗塞の診断の補助として使用できるクレアチンキナーゼには、3 つのアイソフォームが存在します。
  • ヒアルロン酸の生成を担う酵素であるヒアルロン酸合成酵素には、哺乳類細胞内に 3 つのアイソフォームが存在します。
  • UDP-グルクロン酸転移酵素は、多くの薬物、環境汚染物質、毒性のある内因性化合物の解毒経路を担う酵素スーパーファミリーであり、ヒトゲノムには16の既知のアイソフォームがコードされています。[20]
  • G6PDA：あらゆる組織の細胞における活性アイソフォームの正常比はG6PDGと1:1である。これはまさに過形成における正常なアイソフォーム比である。腫瘍形成においてはこれらのアイソフォームのうち1つのみが認められる。[21]

モノアミンの酸化を触媒する酵素ファミリーであるモノアミン酸化酵素には、MAO-A と MAO-B の 2 つのアイソフォームが存在します。

参照

参考文献

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  • MeSHエントリータンパク質アイソフォーム
  • 定義 アイソフォーム