蛋白質核酸酵素:膜電位依存性イオンチャネルの分子進化

膜電位依存性イオンチャネルの分子進化
岩部直之 ・宮田
隆
膜電位依存性イオンチャネル遺伝子族の分子系統進化学的解析に基づいて，遺伝子族メ
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ンバーの多様化パターンを考察した。脊椎動物と無脊椎動物の分岐に着目すると，多くの
場合，機能を異にする遺伝子の多様化はその分岐以前に起こり，機能は基本的に同一だが，
発現する組織が異なる，組織特異的遺伝子の多様化はそれ以降に起きていることを示した。
とくに，組織が急速に進化した脊椎動物の初期に，組織特異的遺伝子の多様化が急速に起
きていた。 この結果は，形態進化と分子進化の関連を強く示唆している。ホモロジーサー
チの結果，K＋チャネル βサブユニットとアル ド-ケト還元酵素の間，およびNa＋ チャネ
ル β1サ ブユニットと免疫グロブリン様ドメイン，とくにミエリンPO糖
蛋白質との間に，
統計的に有意なホモロジーが検出された。
【遺伝子 重複 】 【
遺伝 子族 】 【分子 系統 樹 】
は じめ に
遺 伝 子 多 様 化 の 基 本 的 な機 構 は既 存 の 遺 伝
超 遺 伝 子 族 の メ ン バ ー は染 色 体 の さ ま ざ ま な領 域 に 転
子 の コ ピー ， す な わ ち 遺 伝 子 重 複 で あ る。 そ れ は， 細
座 を起 こ し て い る 。 脊 椎 動 物 で は， こ う し た超 遺 伝 子
胞 内 の保 守 的 体 制 下 で ， 新 し い 機 能 を も っ た 遺 伝 子 の
族 が 多 数 確 認 さ れ て い る （こ こで は 多 重 遺 伝 子 族 と超
出 現 を可 能 に す る 基 本 的 戦 略 で あ り， 生 物 が 編 み 出 し
遺 伝 子 族 を 区 別 せ ず ， 単 に"遺 伝 子 族 ” と よ ぶ こ とに
た， 保 守 と革 新 の 巧 み な 調 和 で あ る。 す な わ ち， 一 対
す る）。
の 遺 伝 子 の う ち ， 一 方 で 従 来 通 り の機 能 を果 た し ， こ
ち ら に 自然 淘 汰
膜 電 位依 存 性 イ オ ンチ ャネ ル は こうした超遺伝 子族
（
圧 ） の 目 を 引 きつ け て お い て ， 自 然
の一 種 で あ る。K＋ ，Na＋ ，Ca2＋ を選 択 的 に透 過 す る膜
淘 汰 の 圧 力 か ら解 放 さ れ た 他 方 の 遺 伝 子 に， 自由 に 突
電位 依 存性 イオ ンチ ャネル はそれぞ れ複数 のサ ブユ ニ
然 変 異 を蓄 積 し て ， 新 し い 機 能 を も っ た 遺 伝 子 が 進 化
ッ トか ら形 成 さ れ て い るが ， α サ ブ ユ ニ ッ ト （Ca2＋で
す る。 細 胞 の 体 制 が 固 ま っ た 太 古 の バ ク テ リア の 時 代
は α1サ ブ ユ ニ ッ ト）で は相 互 に ホ モ ロ ジ ー を共 有 し ，
か ら， 生 物 は こ の 機 構 に よ っ て ， 実 に さ ま ざ まな 遺 伝
遺 伝 子 重 複 に よ っ て 多 様 化 した 。 そ れ ぞ れ の イオ ン チ
子 を生 み 出 して き た 。 重 複 遺 伝 子 は通 常 も と の遺 伝 子
ャ ネ ル は遺 伝 子 重 複 を く り返 す こ と に よ っ て ， 独 自 に
に 隣 接 して つ く られ る。 重 複 度 が 進 む と， 多 数 の 遺 伝
多 様 化 し て お り， 全 体 と し て1つ
子 が 互 い に隣 接 して 存 在 す る ， い わ ゆ る"多 重 遺 伝 子
してい る。
族"へ
と発 達 す る 。 さ ら に重 複 度 が進 ん だ ， シ ン グ ル
こ う し た 多 様 な遺 伝 子 は， 進 化 の 課 程 で 徐 々 に つ く
コ ピー と多 重 遺 伝 子 族 の 集 合 が"超 遺 伝 子 族 ”で あ る。
Naoyuki Iwabe，Takashi 町 ） ［Department Molecular
Evolution
Miyata，
of
Voltage-gated
られ た の で あ ろ う か ？
京 都 大 学 大 学 院 理 学 研 究 科 生 物 科 学 専 攻 生 物 物 理 学 教 室
of Biophysics，Faculty of Science，Kyoto Ion
の 超 遺 伝 子 族 を形 成
University，Sakyo-ku，Kyoto あ る い は あ る時 期 に 急 速 に つ
（〒606-01京
都 市 左 京 区北 白 川 追 分
606-01，Japan］
Channels
2311
Ⅰ
38
核酸
酵素
Vol.40No.15（1995）
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蛋 白質
図l
K＋ チ ャ ネ ル ，Na＋
（文 献12よ
チ ャ ネ ル ， お よ びCa2＋ チ ャ ネ ル の 模 式 図
り改 変 ）
く ら れ た の で あ ろ うか ？
遺 伝 子 の 多 様 化 と生 物 の 進
（
本 特 集 お よ び 文 献1∼10））。
化 の 間 に何 ら か の 関 連 が あ る の で あ ろ うか ？
こ こで は ， 膜 電 位 依 存 性 イ オ ン チ ャ ネ ル 遺 伝 子 族 の
進 化 の解 析 を 通 し て ， こ う し た 問 題 を検 討 し， 形 態 レ
ベ ル の進 化 と分 子 レ ベ ル の 進 化 の 関 連 性 に つ い て 述 べ
てみ たい。
なお， イ オ ンチ ャネ ル の電気 生理 学的，薬 理学 的性
質 な ど に つ い て は 詳 し い 総 説 が あ る の で 参 照 され た い
2312
1． 機 能 の 異 な る 遺 伝 子 の 多 様 化
K＋ チ ャ ネ ル α（Kα），Na＋ チ ャ ネル α（Naα），Ca2＋
チ ャ ネ ル α1（Caα1）
サ ブ ユ ニ ッ トは， そ れ ぞ れ膜 電
位 依 存 性 選 択 的 イ オ ン透過 の主 要 な役 割 を担 っ て い
39
膜電位依存性イオンチ ャネルの分子進化
比 較 か ら， 近 隣 結 合 法14）に よ
り分 子 系 統 樹 を推 定 す る と図
2の よ うに な る。 系 統 樹 の最 も
古 い分岐 点
Caα1の
（
根 ） は，Naα ，
く り返 し構 造 との解 析
か ら仮 定 し た が ， この 系 統 樹
は本 来 は 無 根 で あ る。Naα ，
Caα1サ
ブ フ ァ ミ リーの分 子 系
統 樹 （図3，4）
の 場 合 も本 来
は無 根 だが ，Naα
とCaα1サ
ブ フ ァ ミ リー を 同 時 に比 較 し
て得 られ る系統 樹
（
複合 系統
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樹 ） よ り， そ れ ぞ れ の 根 の 位
置 を設 定 し た 。 シ ョウ ジ ョ ウ
バ エ のShaker遺
月 のKey
伝 子 ［
→今
Word（p．2342）］ の よ
うに選 択 的 ス プラ イシ ングに
図2
K＋ チ ャ ネ ル α （Kα） サ ブ ユ ニ ッ トの 分 子 系 統 樹
よ り複 数 の 遺 伝 子 産 物 が で き
使 用 した 推 定 法 お よ び 図 中 の 記 号 につ い て は本 文 を参 照 。
る場 合 は15）
， ほ か の遺 伝 子 と
最 も広 い 領 域 にわ た っ て ホ モ
る11）
。Kα
は ，6回 の 膜 貫 通 領 域
S5，S6） とS5-S6ル
（S1，S2，S3，S4，
ー プ と よ ば れ る イ オ ン選 択 性 フ ィ
ル タ ー を形 成 す る 部 分 か らな る （図1a） 。 と くに第4番
目の膜 貫 通 領 域
（S4）は，3ア ミノ酸 残 基 お き にア ル ギ
ロ ジー が 認 め ら れ る もの を 用 い た （Caα1サ ブ フ ァ ミ リ
ーで も同様）
。
図2∼4に
お い て， 分 岐 点 と分 岐 点 の 間 ， あ る い は分
岐 点 と現 時 点 の 間 の 長 さ は ， そ の 区 間 に 蓄 積 され た ア
ニ ン あ る い は リジ ンが 現 わ れ る 特 徴 的 な 配 列 か ら な り，
ミノ 酸 の 置 換 数 に比 例 して い る 。 分 岐 点 での 数 字 は2つ
電 位 セ ン サ ー の 役 割 を果 た し て い る の で は な い か と考
の 系 統 が ク ラ ス タ ー を組 む ブ ー トス トラ ッ プ確 率16）を
え られ てい る13）
。 一 方 ，Naα ，Caα1は
示 す 。 遺 伝 子 重 複 に よ る 遺 伝 子 の 多 様 化 の 時 期 を推 定
る構 造 単 位 の4回
，Kα に相 当 す
の く り返 し
構 造 （リ ピー トⅠ，Ⅱ ，Ⅲ ，Ⅳ ）
を も ち （図1b，1c）
列 上 ，Kα
，1次
配
とホモ ロ ジーが認 め
ら れ る 。Kα ，Naα
，Caα1
は 共 通 の 祖 先 遺 伝 子 か ら， 遺
伝 子 重 複 と ドメ イ ン単 位 の 遺
伝 子 内 重 複 に よ り進 化 した と
考 え られ て い る。
Kα ，Naα ，Caα1は
それ ぞ
れ重 複遺 伝子 によ ってつ くら
れ た 多 数 の メ ンバ ー か ら な る
サ ブ フ ァ ミ リー を 形 成 して い
る。Kα サ ブ フ ァ ミ リー に属 す
る メ ンバ ー の ア ミノ 酸 配 列 の
図3
Na＋ チ ャ ネ ル α （Naα） サ ブ ユ ニ ッ トの 分 子 系 統 樹
使 用 し た推 定 法 お よ び 図 中 の 記 号 に つ い て は本 文 を参 照 。
2313
蛋白質
40
核酸
酵素
Vol.40No.15（1995）
ーのShakerの
グ ル ー プ （図2） が そ れ に 相 当 す る18）
。図
2の 系 統 樹 に よ る と，Shakerの
の 系 統 で5回
グ ル ー プ で は脊 椎 動 物
の遺 伝 子 重 複 が 見 られ るが， そ の うち4つ
に つ い て は遺 伝 子 重 複 が 起 き た 時 期 が 推 定 で き， い ず
れ もTlとT2の
間 で 起 きて い る。 古 生 物 学 的 デ ー タ に
よ る と， 新 口動 物 と旧 口 動 物 の 分 岐 （この場 合T1に
当 す る） はお よ そ7億
の分岐
（T2） は4億
年 前 に起 き た とさ れ て い る 。 節 足
動 物 か ら分 岐 後 ， 脊 椎 動 物 の 全 系 統 を，T2を
図4
Ca＋ チ ャ ネ ル α1（CaaI）
サ ブ ユ ニ ッ トの 分 子 系 統 樹
使 用 した 推 定 法 お よ び 図 中 の 記 号 に つ い て は 本 文 を参 照 。
相
年 前 に 起 こ り， 魚 類 と四 足 動 物
と後 期 に分 割 す る と， 前 期 の3億
境 に前 期
年 の 間 に4回
の組織
特 異 的 遺 伝 子 を 生 成 し た 遺 伝 子 重 複 が 起 こ り， 後 期 の
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4億 年 の 間 に は一 度 も遺 伝 子 重 複 が 起 きて い な い こ とに
す る た め に， 脊 椎 動 物 と節 足 動 物 の 分 岐 （こ こで は"T1"
な る。 す な わ ち ， 脊 椎 動 物 の 初 期 に組 織 特 異 的 発 現 の
と略 記 す る ） を 白丸 で ， 魚 類 と四 足 動 物 の 分 岐 （"T2"
異 な る遺 伝 子 が 急 速 に つ く ら れ （1億年 あ た りの頻 度 は
と略 記 ）を黒 丸 で 示 した （
魚 の デー タが な い場合 は，両
4／3＝1．3）
， 魚 の 出 現 以 降 は新 しい組 織 特 異 的 遺 伝 子 が
生 類 の デ ー タ を用 い ， 分 子 時 計 を仮 定 し て ， 魚 類 と四
つ くら れ て い な い 。
足 動 物 の 分 岐 時 期 を推 定 した ）。 黒 の 菱 形 はT2以
後 に
さ らに ， 系 統 樹 の 枝 の 長 さか ら，1億 年 あ た りの ア ミ
起 きた遺 伝 子 重 複 を示 し， 白 の 菱 形 はT1とT2の
間で
ノ酸置 換 率 ， す なわ ち，分 子 進 化 速 度 を前 期 の それ
前 の遺 伝
1） と後 期 の そ れ(v2） で 比 べ る と， 前 期 の 分 子 進 化
v
起 きた 遺 伝 子 重 複 を示 す 。 二 重 の菱 形 はTl以
子重 複 であ る。分岐 時期 が推 定 で きない遺伝 子 重複 を
四角 で示 した。
速 度 は後 期 の 約5．5倍
同様 の傾 向 はNaα
Kα サ ブ フ ァ ミ リー の 系 統 樹 （
図2） よ り， 脊 椎 動 物
3）で も見 られ る。T2以
も高 い 。
サ ブ フ ァ ミ リー の 分 子 系 統 樹 （
図
降 に2回
の 遺 伝 子 重 複 が 見 られ
と節 足 動 物 の 分 岐 （Tl）以 前 に少 な く と も4回 の 遺 伝
るが ，Tl以
子 重複
原 索 動 物 で あ るマ ボ ヤ との分 岐 以 降 ），T2以
（
二 重 の 菱 形 ） が 起 きた こ とが わ か る 。 多 数 の
遺 伝 子 族 の 分 子 系 統 進 化 学 的 解 析 に よ る と，T1以
前に
後 （この 場 合 ， も う 少 し前 期 が 限 定 で き て，
前に少な く
と も3回 組 織 特 異 的 遺 伝 子 の 重 複 が 起 きて い る （1億年
起 き た 遺 伝 子 重 複 は 多 くの 場 合 ， 機 能 ・構 造 的 に 異 な
あ た りの 遺 伝 子 重 複 の 回 数 は前 期 が1回
る 遺 伝 子 を 生 成 し て い る17）
（
岩 部 ら ：投 稿 中 ）
。 したがっ
回 ）。 ま た ， 分 子 進 化 速 度 も， 前 期 は 後 期 の2．8倍 高
て ， これ ら5つ の 遺 伝 子 グ ル ー プ に は電 気 生 理 学 的 性
い 。 す な わ ち ，2つ の サ ブ フ ァ ミ リー で ， 遺 伝 子 重 複 の
質 な ど に差 が あ る可 能 性 が あ る。Naα
頻 度 と分 子 進 化 速 度 の い ず れ に お い て も， 前 期 は後 期
，Caα1サ
ブ ファ
で ， 後 期 は0．5
ミリーで もこの ような遺伝 子重 複 が それ ぞ れ少 な くと
に比 べ て 明 らか に 高 い と結 論 で き る。Caα1サ
も1回 あ っ た こ とが わ か る （
図3，4） 。 図4に
リー に 関 して は ， 節 足 動 物 の デ ー タ が1つ
Tl以
前 の遺 伝 子 重 複 に よ っ て ，Caα1サ
お いて，
ブ フ ァ ミ リー
特 異 的 遺 伝 子 の 多 様 化 がT2以
タ ー ， α1D， α1C， α1Sは ジ ヒ ドロ ピ リ ジ ン （DHP）
か ら しい 。
子 は 非Lタ
イ プ で あ り， も う1つ
の ク ラス タ ー遺 伝
イ プ で あ る8）
。
の系 統 で し
か 利 用 で きな い の で ， 厳 密 な 評 価 は で きな いが ， 組 織
は大 き く2つ の グ ル ー プ に 分 か れ るが ， 一 方 の ク ラ ス
感 受 性 のLタ
ブファ ミ
前 に 起 きて い るこ と は確
こ の よ う に， 脊 椎 動 物 の 初 期 に 組 織 特 異 的 遺 伝 子 の
重 複 が 集 中 し， し か も急 速 な ア ミ ノ酸 置 換 の蓄 積 が 起
こ る とい う傾 向 は チ ャ ネ ル 遺 伝 子 だ けで は な く， シ グ
2． 組 織 特 異 的 遺 伝 子 の 多 様 化
ナ ル 伝 達 系 に 関 与 す る遺 伝 子 族 や ほ か の 多 くの遺 伝 子
遺 伝 子 族 の メ ンバ ー の な か に は， 互 い に 機 能 は ほ と
族 で も見 ら れ る17)（
岩 部 ら ：投 稿 中 ）。 ホ ヤ ， ナ メ ク ジ ウ
ん ど同 じだ が ， 発 現 し て い る 組 織 が 異 な る 遺 伝 子 の グ
オ と の分 岐 を 経 て ， 魚 の 出 現 に 至 る脊 索 動 物 の初 期 進
ル ー プ が あ る。 こ の グ ル ー プ に属 す る遺 伝 子 を 組 織 特
化 の過程 で ， さ まざ まな組織 や器 官が 進化 したが， そ
異 的 遺 伝 子 と よ ん で お く こ と にす る 。Kα サ ブ フ ァ ミ リ
れ 以 降 ， 基 本 的 な 点 で ， 組 織 の 大 き な 進 化 は見 られ な
2314
Ⅱ
41
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膜電位依存性イオ ンチャネルの分子進化
図5
K＋ チ ャ ネ ルβ サ ブ ユ ニ ッ トと ア ル ドーケ ト還 元 酵 素 族 と の ア ラ イ ン メ ン ト
先 頭 の数 字 はN末
端 か らの ア ミノ酸 番 号 。 ホ モ ロジ ー の程 度 は25∼18％
10-4。 配 列 の 略 号,AFB1-AR:ア
フ ラ トキ シ ンBlア
で,こ
の ホモ ロジー が偶 然 に実 現 す る確 率 は3．0×10-7∼2．2×
ルデ ヒ ド還 元 酵 素,S.c.YCR107w:酵
母QRFYCR107w,P．c.aadl担
子 菌 ア リル
アル コール脱水素酵素。
い 。 こ の 組 織 レ ベ ル で の 進 化 の パ タ ー ン は ， 先 に述 べ
い る19∼21）
。 今 後 ，K＋ チ ャネ ル β サ ブ ユ ニ ッ トに還 元 酵
た 分 子 レ ベ ル の 進 化 の パ タ ー ン と よ く一 致 す る 。 す な
素 活 性 やNADPあ
わ ち ， 形 態 レベ ル で の 進 化 と分 子 レベ ル で の 進 化 は 相
が あ る か ど う か を検 討 す る こ とが 重 要 で あ ろ う。 還 元
互 に 関 連 し た 現 象 で あ る と考 え られ る17）
。
酵 素 と基 本 的 に 同 じ構 造 を も つ 遺 伝 子 産 物 が チ ャ ネ ル
るい はNADP類
似 分 子 との 結 合 能
の 制 御 に か か わ っ て い る とい う 事 実 は， 未 発 見 の2次
メ ッセ ン ジ ャ ー の 存 在 を示 唆 す る の か も し れ な い 。 ち
な み に ，Ca2＋ チ ャ ネ ル β サ ブ ユ ニ ッ ト も，K＋ チ ャ ネ
K＋ チ ャ ネ ル は α とRサ
ブ ユ ニ ッ ト，Na＋ チ ャ ネ ル
ル β サ ブ ユ ニ ッ ト と同 様 に 細 胞 質 中 に発 現 し， そ の2
は， α， β1， β2サ ブ ユ ニ ッ ト，Ca2＋ チ ャ ネ ル は α1，
次 構 造 がK＋
α2， β，γ，δ サ ブ ユ ニ ッ トか ら な る複 合 体 を そ れ ぞ れ
とい わ れ て い るが ， ア ミ ノ酸 配 列 上 の 有 意 な ホ モ ロ ジ
形成 す る （
図1） 。 イ オ ン の選 択 的 透 過 性 に 関 与 す る の
ー は見 ら れ な い12）
。
はKα ，Naα
，Caα1だ
が ， そ の ほ か の サ ブ ユ ニ ッ トも
チ ャ ネ ル β サ ブ ユ ニ ッ ト と類 似 し て い る
さ ら に，Na＋
チ ャ ネ ル β1サ ブ ユ ニ ッ トに つ い て もホ
活 性 化 や 不 活 性 化 な ど チ ャ ネ ル の制 御 機 構 の う え で 重
モ ロ ジ ー検 索 を行 な った 結 果 ， ミエ リンPO糖
蛋 白質 と
要 な 役 割 を 果 た す 場 合 が あ る12）
。 これ ら付 随 的 な サ ブユ
の 間 に 統 計 的 に 有 意 な ホ モ ロ ジ ー が 認 め られ た （図6）
ニ ッ トの ア ミ ノ酸 配 列 は 哺 乳 類 以 外 で は ほ と ん ど決 定
（
岩部 ら ：投 稿準 備 中 ）
。 ミエ リンPO糖
さ れ て お らず ， α サ ブ ユ ニ ッ トに つ い て 行 な っ た 進 化
側 に 膜 貫 通 領 域 が1つ
的 解 析 は現 在 の と こ ろで き な い 。
免 疫 グ ロ ブ リ ン様 ドメ イ ンが 存 在 す る22）
。Na＋
これ ら補 助 的 サ ブ ユ ニ ッ ト とホ モ ロ ジ ー の あ る 遺 伝
あ り，N末
蛋 白 質 はC末
端
端 の細胞 外 領域 には
チ ャネ
ル β1サ ブ ユ ニ ッ トに も免 疫 グ ロ ブ リン様 ドメ イ ン に特
子 を デ ー タ ベ ー ス 中 に検 索 した と ころ，K＋ チ ャ ネ ル β
徴 的 な 配 列 が 保 存 し て お り， この サ ブ ユ ニ ッ ト は免 疫
サ ブ ユ ニ ッ トは ア ル ドーケト還 元 酵 素 族 と統 計 的 に有 意
グ ロ ブ リ ン族 の メ ンバ ー で あ る と考 え られ る 。 免 疫 グ
な ホ モ ロ ジ ー の あ る こ とが 判 明 した18a）
（
図5） （
岩部 ら ：
ロ ブ リ ン様 構 造 は し ば し ば レセ プ タ ー タ イ プ の分 子 の
投稿 準 備 中）。 ア ル ドーケ ト還 元 酵 素 は3次 構 造 が 推 定 さ
細 胞 外 領 域 に 存 在 し， 分 子 認 識 に 関 与 して い る と思 わ
れ て お り，NADPと
れ る の で ， これ らの 分 子 と の 機 能 上 の 類 似 性 が 示 唆 さ
の結 合 部 位 な どが 詳 し くわ か って
2315
Ⅲ
42
蛋 白質
図6
核酸
酵素
Vol.40No.15（1995）
Na＋ チ ャ ネ ル β1サ ブ ユ ニ ッ トと ミエ リ ンPO糖
先 頭 の数 字 はN末
蛋 白 質 との ア ライ ン メ ン ト
端 か らの ア ミノ酸 番 号。 ホ モ ロジ ー の 程 度 は21∼19%で
， この ホモ ロ ジー が偶 然 に実 現 す る確 率 は2．5×10-5∼1．1×
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10-3。
現 在 の と こ ろ，Naα
れ る。
とCaα1は
多 細胞 動 物以 外 に見つ
か っ て い な い が ， も し， これ ら2つ
の イオ ンチ ャ ネル
が 多 細 胞 動 物 の進 化 の 過 程 で つ く られ た と した ら， 多
細 胞 動 物 の祖 先 とな っ た 原 生 生 物 ， た と え ば縦 襟 鞭 毛
3つ の イ オ ン チ ャネ ル ，Kα ，Naα ，Caα1の
関 係 に 関 し て は， 最 も単 純 な構 造 を も っKα
部 重 複 を く り返 して ，Naα
とCaα1が
進化 的
か ら， 内
虫 か ら三 胚 葉 動 物 が 出現 す る ご く短 い 間
（お よ そ1億
年 ）に，Kα か ら内 部 重 複 を く り返 し て 急 速 に進 化 し た
進 化 した と考 え
と考 え られ る 。 同様 の こ とが ， チ ロ シ ン キ ナ ー ゼ 族 に
の リピー ト構
み られ る。 この 遺 伝 子 族 で は ， 多 細 胞 動 物 の 初 期 進 化
造 を もち ， そ れ ぞ れ の リ ピー トは両 者 で 対 応 が つ くの
の 過 程 で ， ドメ イ ン構 造 の 異 な る （し た が っ て 機 能 の
で ，4つ
とCaα1が
異 な る）メ ンバ ー が 急 速 に 多 様 化 し て い る （
菅 ら ：投 稿
遺 伝 子 重 複 に よ って分 岐 した と考 えて よか ろ う。 図3か
準備 中）。 お そ ら く， 単 細 胞 生 物 か ら多 細 胞 動 物 が 進 化
ら明 ら か な よ う に ，Naα
す る過 程 で ， 細 胞 間 相 互 作 用 や シ グ ナ ル 伝 達 系 に関 与
る の が 妥 当 で あ ろ う。Naα ，Caα1は4つ
の リ ピ ー トが 完 成 した の ち，Naα
とCaα1の
分岐 は クラゲ （
二
胚 葉 動 物 ）と三 胚 葉 動 物 の 分 岐 に先 立 っ て 起 き て い る 。
す る遺 伝 子 の多 様 化 が 急 速 に起 きた もの と思 わ れ る 。 も
しそ う な ら， 多 細 胞 化 と い う
形 態 レベ ル の 進 化 と そ れ に 関
与 す る遺 伝 子 の 多 様 化 とが 関
連 し て い る こ と に な る。
問 題 は ， い か な る 順 序 で4
つ の リ ピ ー トが 進 化 し た か ？
と い う 問 題 で あ る 。 最 も考 え
やす い 順 序 は， まず ，Kα の祖
先 遺 伝 子 か ら リ ピー ト構 造 を
もた な い ，Naα
とCaα1の
祖
先 遺伝 子 が遺 伝 子 重複 に よ っ
図7
Na＋ チ ャ ネ ル α サ ブ ユ ニ ッ ト （Na），Ca2＋ チ ャ ネ ル αⅠ サ ブ ユ ニ ッ ト （Ca）の4
つ の リ ピ ー ト （Ⅰ，Ⅱ ，Ⅲ ，Ⅳ ） の 進 化 的 関 係
て つ く られ ， っ い で ， 内 部 重
複 に よ って ，2つ の リピー ト構
ラ ッ トの 配 列 を使 っ て，K＋ チ ャネ ルα サ ブユ ニ ッ ト （K）を ア ウ トグ ル ー プ と して最 尤法 で推
定 した 。?Ⅰ ：最 大 尤 度 （ML）を も つ樹 形 か らの 尤 度 の 差 ，Pr： 樹 形 が 実 現 す る ブ ー トス トラ ッ
プ確 率 。
2316
造 が つ く ら れ る （そ れ ぞ れ1−
お よびⅡ-Ⅳ
とす る）。Ⅲそ の
43
膜電位依存性イオ ンチャネルの分子進化
後 ，Ⅰ-Ⅱ とⅡ−Ⅳが セ ッ トに な っ て 内 部 重 複 を起 こ し
ネ ル ，Ca2＋ 依 存 性K＋
て ，Naα
ル ， 内 向 き整 流 性K＋ チ ャ ネ ル な ど）と もホ モ ロジ ー が
とCaα1の4つ
の リピー ト構 造 が 進 化 した と
い う順 序 で あ る23）
。 実 際 ， た とえ ば， ラ ッ トのNaα
Caα1配
と
列 か ら， リ ピー ト問 の平 均 の ホ モ ロ ジー を評 価
す る と，Ⅰ とⅢ で は34％
，Ⅱ とⅣ で は31％
とな り， そ
あ る と い う報 告 が あ る10,25∼27）
。 しか し， 統 計 検 定 を行
な う と有 意 な ホ モ ロ ジ ーが あ る と は判 定 で きな い の で ，
今回 の解析 には含 めな か った。
れ 以 外 の組 合 せ で は， 常 にホ モ ロジーが 低 くな る （25∼29
ま た ， 膜 電 位 依 存 性 ク ロ ラ イ ド （Cl-）チ ャ ネ ル 遺 伝
％ ）。 これ は， 一 見 先 で 述 べ た進 化 の順 序 を支 持 して い
子 族 は ， 膜 電 位 依 存 性 陽 イ オ ンチ ャ ネ ル と は ホ モ ロ ジ
るか に み え る。 こ の樹 形 を 図7（a） に 示 し た 。
ーが まっ た く存 在 しない ， 別 の遺 伝 子 族 で あ る28,29）
。Cl-
し か し， ホ モ ロ ジ ー の 程 度 か ら系 統 樹 を推 定 す る 方
チ ャ ネ ル 族 に は動 物 の 遺 伝 子 だ け で な く酵 母 や大 腸 菌
法 は， 暗 に 異 な る リ ピー トの 問 で 進 化 速 度 が 等 し い こ
の チ ャ ネ ル も含 まれ30,31)，
起 源 の 古 い遺 伝 子 族 で あ る こ
と を仮 定 して い る。 一 般 に ， そ う仮 定 し て よ い 根 拠 は
とが わ か っ て い る 。
な い 。 正 し く は， 進 化 速 度 の 一 定 性 の仮 定 を排 除 して ，
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チ ャ ネ ル ， 大 腸 菌 のK＋ チ ャ ネ
こ こ で は お も に ，Kα ，Naα
お よ びCaα1の
サブフ
系 統 樹 を推 定 し な けれ ば な ら な い 。 現 在 知 られ て い る
ァ ミ リー の 分 子 系 統 進 化 学 的 解 析 か ら， 組 織 特 異 的 に
系 統 樹 推 定 法 の うち で ， 最 も信 頼 性 の 高 い 最 尤 法24｝に
発現 す る遺伝 子が 脊椎動 物 の初 期 進 化 の過程 で， 急速
よ り可 能 な系 統 樹 の 樹 形 につ い て 検 討 す る と， 図7（b）
に多 様 化 し た こ とを 示 し た 。 こ の 分 子 レベ ル で の 多 様
お よ び7（c）で 示 した よ うな ，3つ の リ ピ ー トか らな る
化 が ， こ の 時 期 に さ ま ざ ま な 組 織 が 急 速 に進 化 し た こ
遺 伝 子 を経 て ， 現 在 の4つ
の リ ピ ー ト構 造 に 至 っ た 可
と と関 連 して 興 味 深 い 。 す な わ ち ， 分 子 レベ ル の 進 化
能 性 が か な り高 い こ とが 示 唆 され た 。 図 中 に， そ の 樹
と形 態 レ ベ ル の 進 化 が 関 連 し て い る こ と を強 く示 唆 し
形 の 尤 ら しさ の 程 度△l， お よ び そ の 樹 形 が 出 現 す る確
て い る 。 同 じ よ う な 関 連 が 単 細 胞 動 物 か ら多 細 胞 動 物
率Prを
が 進 化 す る 過 程 で もみ られ る こ と を示 唆 し た。 こ こで
示 して お い た （MLは
（a）
は△lお よ びPrの
最 大 尤 度 を 示 す ）。 樹 形
い ず れ に お い て も低 い 値 を もつ
が ， 標 準 誤 差 か ら判 断 し て ， この 樹 形 の 可 能 性 も否 定
で き な か っ た 。 ほ か の 系 統 樹 推 定 法 ， た と え ば， 近 隣
結 合 法 で も同様 の 結 果 が 得 られ る 。
分 子 レベ ル の 進 化 と形 態 レ ベ ル の 進 化 との 関 連 を立
証 す る こ と は， 今 後 の 分 子 進 化 学 に き わ め て 重 要 で あ
樹 形 （a）
は，4つ の リピー ト構 造 が つ く られ る過 程 が 単
純 で あ り，Kα が4量
は， む し ろ 異 な る機 能 を も つ 遺 伝 子 の 多 様 化 が 起 きて
い る。
る 。 分 子 レベ ル の 進 化 は分 子 進 化 の 中 立 説 で 説 明 さ れ
体 と して 機 能 し て い る こ とを考 え
る と考 え られ て い る。 一 方 ， 形 態 レ ベ ル の 進 化 は い ぜ
る と， 生 物 学 的 に尤 ら しい 。 一 方 ， 樹 形 （b）と （c）で
ん 自 然 淘 汰 説 で 説 明 さ れ て い る。 す な わ ち， 対 象 と す
は ，4つ の リ ピ ー ト構 造 の 生 成 過 程 が 複 雑 に な り， か
る レ ベ ル が 異 な る と， 進 化 の メ カ ニ ズ ム が 異 な る こ と
つ3つ
を意 味 して い る。 現 状 で は，2つ の 理 論 を使 い 分 けて い
の リ ピ ー ト構 造 を もつ 時 期 を経 過 し な けれ ぼ な
ら な い 。 この 矛 盾 は 分 子 系 統 樹 の推 定 法 に 問 題 が あ る
る。 これ は過 渡 的 な 状 況 で ， 将 来 的 に は2つ
の か も しれ な い。 分 子 系 統 樹 を推 定 す る 際 ，Kα
の配 列
の 進 化 を統 一 的 に理 解 で き な け れ ぼ な ら な い 。 そ の た
を リ ピー トが つ くら れ る以 前 に 分 岐 し た ， ア ウ トグ ル
め に は，2つ の レベ ル の 進 化 に関 連 が あ る か ど うか を確
ー プ と し て利 用 し て い るが
か め る こ とが 基 本 的 に重 要 な の で あ る 。
れ な い 。1つ
， これ が遠 す ぎ る の か も し
の レベル
の 樹 形 が 統 計 的 に 有 意 に 確 定 で きな い と
い う こ と は，4つ の リ ピー ト構 造 が 完 成 す る まで の 時 間
が か な り短 か か っ た こ と を 示 唆 す る が ， こ う し た 短 期
文
献
間 に 起 き た分 岐 を 正 確 に 再 現 す る だ け の 精 度 が な い こ
1）
田邊
と に 由 来 す る の か も しれ な い 。
2）
金 子 周 司 ：実 験 医 学 ，10，601-604（1992）
3）
亀 山 正 樹 ・亀 山 亜 砂 子 ：実 験 医 学 ，10,605-
お わ りに
Caα1サ
膜 電 位 依 存 性 イ オ ンチ ャ ネル のKα ，Naα
，
610(1992)
4）
ブユ ニ ッ トは，ほか の チ ャ ネル （cAMP／cGMP一
作 動 性 チ ャネ ル ， 植 物 のAKT1／KAT1と
よば れ るチ ャ
勉 ：実 験 医 学 ，10，595-600（1992）
横 山 茂 ・川 村 哲 朗 ・伊 藤 裕 二 ・東 田 陽 博 ：実 験 医 学 ，
10,669-673(1992)
5）
中 山 仁 ：実 験 医 学 ，10，709-712（1992）
2317
44
蛋 白質
6）
核酸
岡 村 康 司
酵素
・高 橋
Vol.40No.15（1995）
國 太 郎
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宗
淑 琴
・田 邊
勉
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(1994)
8）
森
9）
井 本 敬：二
実 験 医 学 ，12，1311-1316（1994）
久 保 義 弘：
実 験 医 学 ，12，1317-1322（1994）
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