タンパク質ファミリー
タンパク質ファミリー（protein family）とは、生命の進化の過程で共通の祖先から派生したと推定される一群のタンパク質を指します。これは、生物を進化的な系統に基づいて分類する考え方と同様に、タンパク質を進化の視点から捉え、グループ化する上で重要な概念です。これに対応する概念として、遺伝子を同様の基準でまとめた「遺伝子ファミリー」も存在し、タンパク質をコードする遺伝子においては、タンパク質ファミリーと密接に関連しています（ただし、タンパク質をコードしない非コードRNA遺伝子はこれに含まれません）。
タンパク質ファミリーの定義において最も基本的な基準となるのは、アミノ酸配列（一次構造）における統計学的に有意な高い相同性です。この高い配列類似性は、それらのタンパク質が共通の祖先タンパク質から分かれて進化した結果であると推測する根拠となります。
タンパク質の機能や構造は、ドメインと呼ばれる立体的・機能的な単位や、より小規模なモチーフといった構造的特徴によって担われています。タンパク質ファミリーは、これらのドメイン、特に一次構造に基づいて分類されたドメインファミリーを基礎として定義されることが一般的です。ただし、機能や立体構造が類似していても、アミノ酸配列の類似性が低い場合は、共通祖先ではなく独立した進化（収束進化）の結果として似た形質を獲得したと考えられ、通常は同じタンパク質ファミリーには分類されません。
多くのタンパク質は複数のドメインが組み合わさって構成されており、あるタンパク質がどのファミリーに属するかは、そのタンパク質がどのようなドメインファミリーで構成されているかによって判断されます。タンパク質をコードする遺伝子は、進化の過程で遺伝子シャフリングと呼ばれるメカニズムによって、異なるドメインをコードするDNA断片が組み換えられることがあります。これにより、個々に進化しうるドメインが様々に組み合わされて新しいタンパク質分子が作り出されます。
この遺伝子シャフリングの影響により、たとえ同じファミリーに分類されるタンパク質であっても、構成するドメインの並び方や組み合わせが異なるケースが存在します。代表的な例として、ABC輸送体スーパーファミリーが挙げられます。これはあらゆる生物種に広く存在し、多くのメンバーを含む巨大なグループですが、その多様性は高く、構成ドメインの配列順序が様々であったり、複数のタンパク質分子（サブユニット）が集合して機能する形態をとるものも存在します。
さらに、一つのタンパク質が持つ複数のドメインが、それぞれ異なるファミリーに属する場合もあります。例えば、細胞外に位置するドメインが免疫グロブリンスーパーファミリーに、細胞内に位置するドメインがチロシンキナーゼファミリーに分類される線維芽細胞増殖因子受容体などがその典型です。このように、タンパク質の一部に着目することで、複数のファミリーに関連づけられることもあります。
タンパク質ファミリーの定義やその範囲は、研究分野や研究者によって必ずしも統一されているわけではなく、厳密な線引きが存在するわけではありません。ファミリーよりも広い範囲を括る概念としてスーパーファミリー、より狭い範囲を指す概念としてサブファミリーといった分類が用いられることもありますが、これらも相対的なものであり、普遍的で厳密な定義があるわけではありません。
タンパク質ファミリーおよび対応する遺伝子ファミリーは、その進化的な由来に基づいて大きく二つの系列に分類されます。一つは、共通の祖先種が進化の過程で異なる種に分化した際に、その祖先が持っていた遺伝子が子孫となるそれぞれの種に受け継がれ、互いに類似した機能を持つ遺伝子またはタンパク質として存在するようになるケースです。これをオーソログと呼びます。オーソログは、一般的に対応する遺伝子やタンパク質間で機能が保存されていることが多いです。
もう一つは、同じ種の中で特定の遺伝子が重複することによって生じ、互いに類似した配列を持つ複数の遺伝子またはタンパク質が存在するようになるケースです。こちらはパラログと呼ばれます。パラログが生じた場合、元となった遺伝子（あるいは一方の重複遺伝子）が本来の機能を維持する一方で、もう一方の重複遺伝子は機能的な制約から解放されやすくなります。これにより、変異が蓄積し、進化的に全く新しい機能を持つタンパク質へと変化していくことがあります。具体的な例として、哺乳類の眼の水晶体の主要構成要素であるα-クリスタリンが挙げられます。α-クリスタリンは低分子量熱ショックタンパク質ファミリーに分類されますが、これは本来のシャペロン機能（タンパク質のフォールディング補助など）を保持しつつ、水晶体の透明性を維持するという新たな機能も獲得した、パラログによる機能進化の典型的な例と考えられています。
タンパク質ファミリーの定義において最も基本的な基準となるのは、アミノ酸配列（一次構造）における統計学的に有意な高い相同性です。この高い配列類似性は、それらのタンパク質が共通の祖先タンパク質から分かれて進化した結果であると推測する根拠となります。
タンパク質の機能や構造は、ドメインと呼ばれる立体的・機能的な単位や、より小規模なモチーフといった構造的特徴によって担われています。タンパク質ファミリーは、これらのドメイン、特に一次構造に基づいて分類されたドメインファミリーを基礎として定義されることが一般的です。ただし、機能や立体構造が類似していても、アミノ酸配列の類似性が低い場合は、共通祖先ではなく独立した進化（収束進化）の結果として似た形質を獲得したと考えられ、通常は同じタンパク質ファミリーには分類されません。
多くのタンパク質は複数のドメインが組み合わさって構成されており、あるタンパク質がどのファミリーに属するかは、そのタンパク質がどのようなドメインファミリーで構成されているかによって判断されます。タンパク質をコードする遺伝子は、進化の過程で遺伝子シャフリングと呼ばれるメカニズムによって、異なるドメインをコードするDNA断片が組み換えられることがあります。これにより、個々に進化しうるドメインが様々に組み合わされて新しいタンパク質分子が作り出されます。
この遺伝子シャフリングの影響により、たとえ同じファミリーに分類されるタンパク質であっても、構成するドメインの並び方や組み合わせが異なるケースが存在します。代表的な例として、ABC輸送体スーパーファミリーが挙げられます。これはあらゆる生物種に広く存在し、多くのメンバーを含む巨大なグループですが、その多様性は高く、構成ドメインの配列順序が様々であったり、複数のタンパク質分子（サブユニット）が集合して機能する形態をとるものも存在します。
さらに、一つのタンパク質が持つ複数のドメインが、それぞれ異なるファミリーに属する場合もあります。例えば、細胞外に位置するドメインが免疫グロブリンスーパーファミリーに、細胞内に位置するドメインがチロシンキナーゼファミリーに分類される線維芽細胞増殖因子受容体などがその典型です。このように、タンパク質の一部に着目することで、複数のファミリーに関連づけられることもあります。
タンパク質ファミリーの定義やその範囲は、研究分野や研究者によって必ずしも統一されているわけではなく、厳密な線引きが存在するわけではありません。ファミリーよりも広い範囲を括る概念としてスーパーファミリー、より狭い範囲を指す概念としてサブファミリーといった分類が用いられることもありますが、これらも相対的なものであり、普遍的で厳密な定義があるわけではありません。
タンパク質ファミリーおよび対応する遺伝子ファミリーは、その進化的な由来に基づいて大きく二つの系列に分類されます。一つは、共通の祖先種が進化の過程で異なる種に分化した際に、その祖先が持っていた遺伝子が子孫となるそれぞれの種に受け継がれ、互いに類似した機能を持つ遺伝子またはタンパク質として存在するようになるケースです。これをオーソログと呼びます。オーソログは、一般的に対応する遺伝子やタンパク質間で機能が保存されていることが多いです。
もう一つは、同じ種の中で特定の遺伝子が重複することによって生じ、互いに類似した配列を持つ複数の遺伝子またはタンパク質が存在するようになるケースです。こちらはパラログと呼ばれます。パラログが生じた場合、元となった遺伝子（あるいは一方の重複遺伝子）が本来の機能を維持する一方で、もう一方の重複遺伝子は機能的な制約から解放されやすくなります。これにより、変異が蓄積し、進化的に全く新しい機能を持つタンパク質へと変化していくことがあります。具体的な例として、哺乳類の眼の水晶体の主要構成要素であるα-クリスタリンが挙げられます。α-クリスタリンは低分子量熱ショックタンパク質ファミリーに分類されますが、これは本来のシャペロン機能（タンパク質のフォールディング補助など）を保持しつつ、水晶体の透明性を維持するという新たな機能も獲得した、パラログによる機能進化の典型的な例と考えられています。
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