Emergence of new function through evolutionary divergence of an intrinsically disordered region

細胞内での生命活動は、物質の絶え間なく組織化された流れに依存しています。この流れを維持するために、細胞はタンパク質でできた微小な機械を用い、細胞の外皮を掴み、内側へと引き込み、必要な場所へと荷物を運ぶ泡（小胞）を形成します。「エンドサイトーシス」として知られるこのプロセスには、特定のタンパク質が先駆者（パイオニア）として機能し、最初にやってきて目印を付け、残りのチームを呼び寄せる必要があります。長い間、科学者たちは、これらのタンパク質がどのように機能するかという指示は、その硬く折り畳まれた形状の中に書き込まれていると考えてきました。しかし、増え続ける研究によって、多くのタンパク質には、固定された形状に折り畳まれることのない、長く、ゆらゆらとしたセクションが含まれていることが明らかになっています。これらは「固有の無秩序領域（intrinsically disordered regions）」と呼ばれます。これらは恒久的な構造を持たない一方で、役に立たないわけではありません。むしろ、タンパク質が多くの異なるパートナーと相互作用することを可能にする、柔軟なコネクターとして機能します。大きな疑問として残っていたのは、これらのおおよそ形のない、ゆらゆらとしたセクションが、既存の能力を失うことなく、いかにして進化の過程で突如として新しい、特定の役割を獲得できるのかという点でした。

FCHO1とFCHO2という名前の2つのタンパク質は、この謎を解くための明確な窓を提供してくれます。これらは、古代の遺伝子の重複によって生まれた従兄弟同士であり、どちらも同じ細胞プロセスにおける先駆者の役割を果たしています。共通の歴史と似通った全体的な設計を持っているにもかかわらず、それらは異なるタスクを実行し、互いの代わりを務めることはできません。一方が欠けても、もう一方がその任務を引き継ぐことはできないのです。研究者たちは、なぜこれら二つのほぼ同一のタンパク質がこれほど異なって振る舞うのかを理解しようと試みました。原子の動きを観察することを可能にする「核磁気共鳴分光法」という技術を用いることで、その違いが、ゆらゆらとした領域内における、特定の、束の間の変化にあることを発見しました。FCHO2の無秩序な領域は完全に形を持たないままですが、FCHO1の対応する領域は、時折、「ヘリックス（螺旋）」と呼ばれる、きつく巻いた螺旋状の形へとパッと収縮します。この螺旋は永続的なものではありません。急速に形成されては消えていきますが、検出され研究されるには十分な安定性を持っています。

この研究は、この一時的な螺旋こそが、タンパク質の独特な振る舞いの鍵であることを明らかにしました。FCHO1において、このヘリックスは磁石のように作用してタンパク質同士を付着させ、細胞内でより大きなクラスターへと組み立てられるよう促します。FCHO2はこのヘリックスを欠いているため、同じようには集まりません。この小さな構造的特徴が差異の唯一の原因であることを証明するために、研究者たちは精密な実験を行いました。彼らはFCHO1からヘリックスの遺伝暗号を取り出し、それをFCHO2に挿入しました。この単純な追加だけで、FCHO2を変容させるのに十分であり、FCHO2に、自身の従兄弟と同じように自身に付着し、細胞内の集合体を形成する能力を与えました。この発見は、無秩序な領域が一時的な構造を形成する能力を獲得することによって、単に新しい機能が出現し得ることを示しており、柔軟なセグメントを、タンパク質間で転送可能な機能モジュールへと変えることができるのです。

進化的な分析によれば、このヘリックス形成能力は、これらタンパク質の元となった祖先には存在していませんでした。それは遺伝子が重複した後にのみ現れ、時間の経過とともに、この形状を作る傾向はより強く、より確実なものとなりました。驚くべきことに、FCHO1がこの新しい自己組み立て能力を獲得しても、両方のタンパク質が持つ元の機能、すなわち細胞膜に結合する能力を維持していました。新しいヘリックスを形成した領域は、表面に付着するという古来の仕事も依然として遂行しており、タンパク質が古いものを捨て去ることなく、新しい振る舞いを進化させられることを証明しました。この研究は、出発点が同一であったタンパク質を、自然がいかにして専門化させていくかという明確なメカニズムを提供しています。柔軟な領域に小さく一時的な構造を加えることで、進化は生物を生かし続ける不可欠な機能を保持したまま、細胞のための新しい道具を作り出すことができるのです。