脊椎動物ヘモグロビン進化におけるアロステリーの起源

アロステリーは必須であり、かつ構造的に複雑な生化学的制御の一形態である。しかし、アロステリックタンパク質が非アロステリック前駆体からどのように進化したのかは不明である。脊椎動物のヘモグロビン（Hb）は対称な四量体であり、サブユニット間の中心の空洞で有機リン酸を結合することで酸素親和性を低下させる。祖先タンパク質復元を用いて、Hbの歴史的前駆体がアロステリーを持たない二量体であったこと、そしてそれが進化的にたまたまアロステリーの境界に位置していたことを示す。すなわち、三つの歴史的置換だけでそこにアロステリーを付与できる。一つは四量体化を引き起こし、残り二つは空洞内にエフェクタ結合部位を作り出す。古代の四量体は、空洞内で結合部位をより深く移動させる単一の置換を通じて、酸素親和性を改善する逆アロステリー（エフェクタ結合）を獲得した可能性もある。これらの短い進化経路は、アロステリーの重要な前提である、酸素結合に伴って変化する複数のコンフォメーションを占める傾向が、グロビンフォールドに固有で古くから存在する性質として備わっていたために可能だった。対称な四量体化の進化は、この三次構造の可塑性を、空洞に影響する酸素連動型の四次構造変化へと伝播させた。その結果、アロステリーに残された唯一の要件はエフェクタ結合であった。コンフォメーションの不均一性と多量体対称性はいずれも広く見られることから、多くのアロステリックタンパク質は、たまたまアロステリーの境界に位置していた前駆体から、単純な機構によって進化した可能性が示唆される。

https://doi.org/10.64898/2026.05.25.727495