古代タンパク質の復元が、細菌酵素が異なる役割へ進化した道筋を明らかに

生物学における最も洗練された機構の中には、共通の起源を持ちながら、まったく異なる仕事に落ち着いたタンパク質がある。その分岐がどのように起こるのかは、分子進化の中心的な問いだ。キール大学、ドイツ電子シンクロトロン DESY、構造系生物学センター（CSSB）にまたがる研究チームは、この問いに「時間を巻き戻す」ことで取り組んだ。キール大学教授であり DESY の構造微生物学グループ長である Holger Sondermann 率いる研究者たちは、2つの細菌酵素の共通祖先を再構築し、実験室で長く失われていたタンパク質を作り出し、それを手がかりに、進化の過程で異なる機能がどのように生まれたのかを追跡した。Science Advances に掲載されたこの研究は、分子の過去をまれに見る形で垣間見せるとともに、タンパク質進化を研究するための強力な戦略を示している。

2つの酵素、分かれた役割

この研究で調べた2つの酵素は、核酸を分解するヌクレアーゼと呼ばれるタンパク質群に属する。どちらも関連しているが、細菌細胞内では異なる役割を担うようになっている。

1つ目の酵素 NrnC は、いわば汎用型だ。DNA または RNA の構成要素が2つ連なった小分子を分解する。2つ目の酵素 diDNase も似た反応を行うが、こちらはより特化しており、主に DNA の構成要素が2つからなる分子の処理を担う。この違いは微妙に見えるかもしれないが、細菌にとっては重要だ。ある種類の小さな核酸を分解でき、別の種類は分解できないことは、遺伝子制御、DNA 修復、遺伝物質の再利用に影響しうる。

Sondermann と同僚たちが提示した科学的な謎は、これらの酵素が今日何をするかだけではない。非常に近縁なタンパク質が、どのようにしてこれほど異なる好みを獲得したのか、という点にある。進化の長い流れの中では、アミノ酸1個の変化が酵素の形、安定性、活性を変えうる。しかし、現代の子孫しか見えない状況でその道筋をたどるのは難しい。過去は推定するしかなく、その推定を最も直接に検証する方法は、それを再現することだ。

生きた酵素を研究する限界

今回の研究は、Sondermann グループによる数年にわたる研究の上に成り立っている。チームはまず標準的な方法から始めた。異なる細菌由来のタンパク質を比較し、どの特徴が時間を通じて保存され、どこが変化したのかを調べた。保存されている領域は、構造や機能に必須であることが多く、可変な領域は特異性の違いを説明する可能性がある。

ある酵素ファミリーの以前の研究では、Sondermann グループの科学者 Sofia Mortensen が、既知の酵素に非常に近いが異なる分子を処理するタンパク質群を見つけた。この発見により、進化的な関係がすでに明確なファミリーの中で、機能分岐がどのように起こるのかを調べる道が開かれた。これらのタンパク質は明らかに兄弟のような関係にあったが、化学的な好みは離れていった。

チームは当初、タンパク質に狙った変化を加えることで2つの酵素の違いを説明しようとした。これはタンパク質工学では一般的な手法で、アミノ酸を1つずつ変異させ、どの置換で酵素の活性が別のものに切り替わるかを見る。しかし今回はうまくいかなかった。改変したタンパク質は安定性を失うか、期待した機能を果たせなかった。酵素の見える表面をいじるだけでは、その背後にある進化の経路を明らかにできなかった。

前ではなく後ろを見る

現代のタンパク質だけでは説明がつかなかったため、研究者たちは別の道を選んだ。今あるタンパク質を比較するだけでなく、その進化史に目を向けたのだ。これが祖先配列再構成の考え方であり、多数の関連タンパク質の配列を使って、何百万年も前に存在したタンパク質の最もあり得る配列を推定する方法だ。

チームはまず、酵素ファミリーの詳細な進化系統樹を作成し、アミノ酸配列の類似性にもとづいて NrnC、diDNase、その他の近縁分子を位置づけた。その樹を手に、2つの酵素が分かれた共通祖先の最も可能性の高い配列を計算できた。次に本当に大胆な一歩として、その遺伝子を合成し、実験室で発現させ、直接研究できる形で古代のタンパク質を作り出した。

この復元タンパク質は、単なる遺物ではない。実験の出発点として機能する。祖先状態を再現することで、チームは変化を1つずつ導入し、それぞれの変化がタンパク質をどちらの現代機能へと押し進めるのかを観察できる。実質的には、この古い酵素は分子のタイムマシンであり、研究者が試験管内で進化を再演することを可能にする。

分子の過去を構造から見る

この研究は構造的な視点も提供する。研究者たちは、diDNase 酵素の復元祖先の3次元構造を調べることができた。古いタンパク質の形を見ると、なぜある変異が許容され、別の変異が許容されなかったのかを説明しやすくなる。また、酵素が化学反応を担う領域である活性部位が、異なる基質を受け入れるよう時間とともにどのように再設計されたのかも明らかになる。

この祖先酵素は NrnC と diDNase の分岐以前に存在したため、その構造は両方の機能がまだ可能だった状態を表している可能性が高い。この祖先構造を現代の NrnC と diDNase の構造と比較することで、酵素をいずれかの特化へと傾けた正確な変化を特定できる。現代の酵素だけを調べても、こうした情報を得るのは難しい。後続の何百万年もの進化が、タンパク質をある経路へ導いた初期段階を覆い隠してしまうからだ。

基礎進化とタンパク質工学への示唆

この発見は、タンパク質が進化の過程で異なる機能を獲得する仕組みについて示唆を与えるが、その意味は基礎的な好奇心を超えている。自然がどのようにタンパク質を作り替えるのかを理解することは、バイオテクノロジー、医学、工業化学向けにカスタム酵素を設計したい科学者にとって有用だ。

自然進化は段階的なプロセスだ。ゼロからタンパク質を設計するのではなく、既存のものを修正し、多くの場合、すでに複数の基質に対して低レベルの活性を持っていた祖先の柔軟性を利用する。NrnC と diDNase の例は、この原理を非常に明瞭に示している。祖先酵素は明らかに、異なる2つの専門家型へと分岐し、それぞれが異なる種類の小さな核酸分子に適応したのだ。

現代のタンパク質工学者にとっての教訓は、現在の酵素で残基を単に変異させても、自然がたどった経路を再現できるとは限らないということだ。酵素の進化を支配する規則は、その歴史の深部に埋もれていることがある。意味のある形でタンパク質を変えるには、進化古生物学者のように考え、現代のタンパク質が生まれた古い形態を検討する必要があるかもしれない。

進化を巻き戻すための青写真

この研究は、他の研究グループにとっての方法論的な青写真も示している。祖先配列再構成は新しい手法ではないが、構造生物学と実験室での復元を組み合わせることで、驚くべき洞察が得られ始めている。CSSB と DESY の基盤は、進化解析、タンパク質生産、高分解能構造決定を一つの知的枠組みの下で統合することを可能にする。

チームの成功は、粘り強さの価値も示している。初期の変異実験は失敗したが、一歩引いて長期の進化的視点を受け入れたことで、研究者たちは前進できた。科学でも進化でも、前に進むには後ろに下がる必要があることがある。

今後

祖先酵素から現代の専門化酵素に至る全体の軌跡を描くには、さらに多くの実験が必要になる。再構築したタンパク質を手にした今、研究者たちは2つの系統を分ける変異を入れ替えながら、その結果をリアルタイムで観察できる。各実験がこのファミリーの進化の姿に新たな詳細を加え、もしかすると多くの他のタンパク質にも当てはまる一般原理を与えるかもしれない。

専門外の読者にとって、この研究は、進化が象やランを形作る力であるだけでなく、生きたすべての細胞の内部にある分子機械を彫刻する存在でもあることを思い出させる。時の中に失われたタンパク質を復活させることで、科学者たちは過去が必ずしも手の届かない場所にあるわけではないことを示した。過去は時に再構築され、研究され、その秘密を明かすことができる。

この記事は Phys.org の報道に基づいています。元記事を読む。