分子生物学：ヘモグロビンの進化における複雑性の起源
Nature 581, 7809 doi: 10.1038/s41586-020-2292-y
ほとんどのタンパク質は、多数が結合して特定の構造を持つ多量体複合体となり、協同的なリガンド結合やアロステリック調節のような機能特性を示すことが多い。しかし、多量体とその機能が進化の過程でどのようにして生じてきたのかについて、詳しいことはほとんど分かっていない。脊椎動物のヘモグロビンは、パラロガスなαおよびβサブユニットからなるヘテロ四量体で、酸素に中程度の親和性で協同的に結合することにより、呼吸による酸素の運搬と交換を仲介する。今回我々は、こうした脊椎動物ヘモグロビンの起源を、祖先タンパク質の再構築と生物物理学的分析を行うことにより明らかにする。現代のヘモグロビンは古代の単量体から進化したことが判明し、それが現代の四量体へと進化する際に経由した進化史上の「失われた環」の特徴も明らかになった。それは、互いに異なるαサブユニットとβサブユニットが遺伝子重複によって生じる前に存在した、高い酸素親和性を示すが協同性はないホモ二量体である。古代のタンパク質に、重複後に起こったことが分かっている2つの置換を導入するだけで、相手となるサブユニット上の古代からある残基のより多くとの間に望ましい接触が作り出されるため、四量体化が強力に引き起こされる。タンパク質表面のこのような置換は、酸素親和性を著しく低下させ、さらに協同性をも生じさせる。それは、酸素結合部位と多量体形成界面の間の古い連結が、すでにタンパク質の構造に固有の特性となっていたからである。これらの知見から、既存の生物物理学的特性をより高いレベルの構造に取り入れる単純な遺伝的機構を介することで、進化によって新しい複雑な分子構造と機能が作り出せることが確証された。
