การทำงานหลายหน้าที่ของโปรตีนเป็นปรากฏการณ์ที่โปรตีนสามารถทำหน้าที่ได้มากกว่าหนึ่งอย่าง^{[ 2 ]}ถือเป็นตัวอย่างของการแบ่งปันยีน^{[ 3 ] [ 4 ]}

โปรตีนที่ทำหน้าที่หลายอย่างในบรรพบุรุษเดิมทีมีหน้าที่เพียงอย่างเดียว แต่ผ่านวิวัฒนาการจึงได้รับหน้าที่เพิ่มเติม โปรตีนที่ทำหน้าที่หลายอย่างจำนวนมาก เป็น เอนไซม์บางส่วนเป็นตัวรับช่องไอออนหรือชาเปอโรน หน้าที่ หลักที่พบได้บ่อยที่สุดของโปรตีนที่ทำหน้าที่หลายอย่างคือการเร่งปฏิกิริยาทางเอนไซม์แต่เอนไซม์เหล่านี้ได้รับบทบาทรองที่ไม่ใช่เอนไซม์ ตัวอย่างบางส่วนของหน้าที่ของโปรตีนที่ทำหน้าที่หลายอย่างซึ่งรองจากการเร่งปฏิกิริยา ได้แก่การส่งสัญญาณการควบคุมการถอดรหัสการตายของเซลล์การเคลื่อนที่และโครงสร้าง^{[ 5 ]}

การทำงานหลายหน้าที่ของโปรตีนเกิดขึ้นอย่างแพร่หลายในธรรมชาติ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]}การทำงานหลายหน้าที่ของโปรตีนผ่านการแบ่งปันยีนนั้นแตกต่างจากการใช้ยีนเดียวในการสร้างโปรตีนที่แตกต่างกันโดยการตัดต่อ RNA ทางเลือกการจัดเรียง DNA ใหม่ หรือการประมวลผลหลังการแปลนอกจากนี้ยังแตกต่างจากการทำงานหลายหน้าที่ของโปรตีน ซึ่งโปรตีนมีหลายโดเมน แต่ละโดเมนทำหน้าที่แตกต่างกัน การทำงานหลายหน้าที่ของโปรตีนโดยการแบ่งปันยีนหมายความว่ายีนอาจได้รับและรักษาหน้าที่ที่สองโดยไม่ต้องมีการจำลองยีนและโดยไม่สูญเสียหน้าที่หลัก ยีนดังกล่าวอยู่ภายใต้ข้อจำกัดการคัดเลือกที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิงสองข้อขึ้นไป^{[ 9 ]}

มีการใช้เทคนิคต่างๆ เพื่อเปิดเผยหน้าที่เสริมของโปรตีน การตรวจพบโปรตีนในตำแหน่งที่ไม่คาดคิดภายในเซลล์ เซลล์ชนิดต่างๆ หรือเนื้อเยื่อ อาจบ่งชี้ว่าโปรตีนนั้นมีหน้าที่เสริม นอกจากนี้ ความคล้ายคลึงกันของลำดับหรือโครงสร้างของโปรตีนยังสามารถใช้เพื่ออนุมานทั้งหน้าที่หลักและหน้าที่เสริมของโปรตีนได้อีกด้วย

ตัวอย่างที่มีการศึกษามากที่สุดของการแบ่งปันยีนคือคริสตัลลินโปรตีนเหล่านี้เมื่อแสดงออกในระดับต่ำในเนื้อเยื่อหลายชนิดจะทำหน้าที่เป็นเอนไซม์ แต่เมื่อแสดงออกในระดับสูงในเนื้อเยื่อตา จะอัดแน่นและก่อตัวเป็นเลนส์ แม้ว่าการรับรู้ถึงการแบ่งปันยีนจะค่อนข้างใหม่—คำนี้ถูกบัญญัติขึ้นในปี 1988 หลังจากพบว่าคริสตัลลินในไก่และเป็ดเหมือนกับเอนไซม์ที่ระบุแยกกัน—การศึกษาล่าสุดพบตัวอย่างมากมายทั่วโลกของสิ่งมีชีวิตJoram Piatigorskyได้เสนอว่าโปรตีนจำนวนมากหรือทั้งหมดแสดงการแบ่งปันยีนในระดับหนึ่ง และการแบ่งปันยีนเป็นแง่มุมสำคัญของวิวัฒนาการระดับโมเลกุล^{[ 10 ] : 1–7} ยีนที่เข้ารหัสคริสตัลลินต้องรักษาลำดับสำหรับการทำงานของตัวเร่งปฏิกิริยาและการทำงานในการรักษาความโปร่งใส^{[ 9 ]}

การทำงานนอกเวลาที่ไม่เหมาะสมเป็นปัจจัยหนึ่งที่ทำให้เกิดโรคทางพันธุกรรมบางชนิด และการทำงานนอกเวลาอาจเป็นกลไกที่ทำให้แบคทีเรียดื้อต่อยาปฏิชีวนะได้^{[ 11 ]}

การสังเกตโปรตีนที่มีหลายหน้าที่เป็นครั้งแรกเกิดขึ้นในช่วงปลายทศวรรษ 1980 โดย Joram Piatigorsky และ Graeme Wistow ระหว่างการวิจัยเกี่ยวกับ เอนไซม์ คริสตัลลิน Piatigorsky พบว่าการอนุรักษ์และการแปรผันของคริสตัลลินในเลนส์เกิดจากหน้าที่อื่นนอกเหนือจากเลนส์^{[ 12 ]}เดิมที Piatigorsky เรียกโปรตีนเหล่านี้ว่าโปรตีน "การแบ่งปันยีน" แต่คำอธิบายทั่วไปว่า " มีหลาย หน้าที่ " ถูกนำมาใช้กับโปรตีนโดยConstance Jefferyในปี 1999 ^{[ 13 ]}เพื่อสร้างความคล้ายคลึงกันระหว่างโปรตีนที่มีหลายหน้าที่กับคนที่ทำงานสองอาชีพ^{[ 14 ]}วลี "การแบ่งปันยีน" มีความกำกวมเนื่องจากยังใช้เพื่ออธิบายการถ่ายโอนยีนในแนวนอนดังนั้นวลี "โปรตีนที่มีหลายหน้าที่" จึงกลายเป็นคำอธิบายที่นิยมใช้สำหรับโปรตีนที่มีมากกว่าหนึ่งหน้าที่^{[ 14 ]}

เชื่อกันว่าโปรตีนที่มีหลายหน้าที่เกิดขึ้นจากการวิวัฒนาการโดยที่โปรตีนที่มีหน้าที่เฉพาะเจาะจงได้รับความสามารถในการทำหน้าที่หลายอย่าง ด้วยการเปลี่ยนแปลง พื้นที่ที่ไม่ได้ใช้งานของโปรตีนส่วนใหญ่สามารถให้หน้าที่ใหม่ได้^{[ 11 ]}โปรตีนที่มีหลายหน้าที่จำนวนมากเป็นผลมาจากการรวมยีนของยีนที่มีหน้าที่เฉพาะเจาะจงสองตัว^{[ 15 ]}หรืออีกทางหนึ่ง ยีนเดียวสามารถได้รับหน้าที่ที่สอง เนื่องจากบริเวณที่ใช้งานของโปรตีนที่เข้ารหัสโดยทั่วไปมีขนาดเล็กเมื่อเทียบกับขนาดโดยรวมของโปรตีน ทำให้มีพื้นที่เหลือเฟือสำหรับรองรับบริเวณที่มีหน้าที่เฉพาะเจาะจงที่สอง ในทางเลือกที่สาม บริเวณที่ใช้งานเดียวกันสามารถได้รับหน้าที่ที่สองผ่านการกลายพันธุ์ของบริเวณที่ใช้งาน

การพัฒนาโปรตีนที่ทำหน้าที่หลายอย่างอาจเป็นประโยชน์ต่อวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิต เนื่องจากโปรตีนตัวเดียวสามารถทำหน้าที่แทนโปรตีนหลายตัวได้ โดยประหยัดกรดอะมิโนและพลังงานที่จำเป็นในการสังเคราะห์โปรตีนเหล่านี้^{[ 13 ]}อย่างไรก็ตาม ยังไม่มีทฤษฎีที่เป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปที่อธิบายว่าทำไมโปรตีนที่มีบทบาทหลายอย่างจึงวิวัฒนาการขึ้นมา^{[ 13 ] [ 14 ]}แม้ว่าการใช้โปรตีนตัวเดียวในการทำหน้าที่หลายอย่างดูเหมือนจะเป็นประโยชน์เพราะทำให้จีโนมมีขนาดเล็ก แต่เราสามารถสรุปได้ว่านี่อาจไม่ใช่เหตุผลสำหรับโปรตีนที่ทำหน้าที่หลายอย่าง เนื่องจากมี ดีเอ็นเอที่ ไม่เข้ารหัส จำนวนมาก ^{[ 14 ]}

โปรตีนหลายชนิดทำหน้าที่เร่งปฏิกิริยาเคมีโปรตีนบางชนิดมีบทบาทด้านโครงสร้าง การขนส่ง หรือการส่งสัญญาณ นอกจากนี้ โปรตีนจำนวนมากยังมีความสามารถในการรวมตัวกันเป็นโครงสร้างระดับโมเลกุลขนาด ใหญ่ ตัวอย่างเช่นไรโบโซมประกอบด้วยโปรตีน 90 ชนิดและอาร์เอ็นเอ

โปรตีนที่ทำหน้าที่หลายอย่างที่รู้จักกันในปัจจุบันจำนวนหนึ่งมีวิวัฒนาการมาจาก เอนไซม์ ที่มีการอนุรักษ์ สูง หรือที่เรียกว่าเอนไซม์โบราณ เอนไซม์เหล่านี้มักถูกคาดเดาว่ามีวิวัฒนาการหน้าที่หลายอย่าง เนื่องจากโปรตีนที่มีการอนุรักษ์สูงมีอยู่ในสิ่งมีชีวิตหลายชนิด จึงเพิ่มโอกาสที่พวกมันจะพัฒนาหน้าที่หลายอย่างเพิ่มเติม^{[ 14 ]}เอนไซม์จำนวนมากที่เกี่ยวข้องกับไกลโคไลซิสซึ่งเป็นวิถีการเผาผลาญสากลโบราณ แสดงพฤติกรรมหลายอย่าง นอกจากนี้ ยังมีการเสนอแนะว่าโปรตีนมากถึง 7 ใน 10 ตัวในไกลโคไลซิส และเอนไซม์ 7 ใน 8 ตัวของวัฏจักรกรดไตรคาร์บอกซิลิก แสดงพฤติกรรมหลายอย่าง^{[ 5 ]}

ตัวอย่างหนึ่งของเอนไซม์ที่มีหน้าที่หลากหลายคือไพรูเวทคาร์บอกซิเลสเอนไซม์นี้เร่งปฏิกิริยาการเติมหมู่คาร์บอกซิลให้กับไพรูเวทเพื่อสร้างออกซาโลอะซิเตต ซึ่งเป็นการเติมเต็มวัฏจักรกรดไตรคาร์ บอกซิลิก ที่น่าประหลาดใจคือ ในยีสต์สายพันธุ์ต่างๆ เช่นH. polymorphaและP. pastorisไพรูเวทคาร์บอกซิเลสยังมีความสำคัญต่อการกำหนดเป้าหมายและการประกอบโปรตีนแอลกอฮอล์ออกซิเดส (AO) ในเพอร์ออกซิโซมอย่างถูกต้อง AO ซึ่งเป็นเอนไซม์ตัวแรกของการเผาผลาญเมทานอล เป็นเอนไซม์ฟลาโวเอนไซม์ แบบโฮโมออกตา เมอร์ ในเซลล์ชนิดปกติ เอนไซม์นี้จะอยู่ในรูปของออกตาเมอร์ AO ที่มีฤทธิ์ทางเอนไซม์ใน เมทริกซ์ ของเพอร์ออกซิโซม อย่างไรก็ตาม ในเซลล์ที่ขาดไพรูเวทคาร์บอกซิเลส โมโนเมอร์ของ AO จะสะสมอยู่ในไซโตโซล ซึ่งบ่งชี้ว่าไพรูเวทคาร์บอกซิเลสมีหน้าที่ที่สองที่ไม่เกี่ยวข้องกับหน้าที่เดิมอย่างสิ้นเชิงในการประกอบและการนำเข้า หน้าที่ในการนำเข้า/ประกอบ AO นั้นเป็นอิสระอย่างสมบูรณ์จากกิจกรรมของเอนไซม์ไพรูเวทคาร์บอกซิเลส เนื่องจากสามารถแนะนำการแทนที่กรดอะมิโนที่ทำให้กิจกรรมของเอนไซม์ไพรูเวทคาร์บอกซิเลสไม่ทำงานได้อย่างสมบูรณ์ โดยไม่ส่งผลกระทบต่อหน้าที่ในการประกอบและนำเข้า AO ในทางกลับกัน การกลายพันธุ์ที่ทราบกันดีว่าขัดขวางการทำงานของเอนไซม์นี้ในการนำเข้าและประกอบ AO แต่ไม่มีผลต่อกิจกรรมของเอนไซม์ของโปรตีน^{[ 14 ]}

โปรตีน ไทโอเรด็อกซิน ซึ่งเป็นสาร ต้านอนุมูลอิสระ ของ E. coliเป็นอีกตัวอย่างหนึ่งของโปรตีนที่มีหลายหน้าที่ เมื่อติดเชื้อแบคทีริโอเฟจ T7ไท โอเรด็อกซิน ของ E. coliจะสร้างคอมเพล็กซ์กับดีเอ็นเอพอลิเมอเรสของ T7ซึ่งส่งผลให้การจำลองดีเอ็นเอของ T7 เพิ่มขึ้น ซึ่งเป็นขั้นตอนสำคัญสำหรับการติดเชื้อ T7 ที่ประสบความสำเร็จ ไทโอเรด็อกซินจะจับกับลูปในดีเอ็นเอพอลิเมอเรสของ T7 เพื่อจับกับดีเอ็นเอได้แน่นขึ้น หน้าที่ต้านอนุมูลอิสระของไทโอเรด็อกซินเป็นอิสระโดยสมบูรณ์และไม่ขึ้นกับการจำลองดีเอ็นเอของ T7 ซึ่งโปรตีนน่าจะทำหน้าที่ตามบทบาทดังกล่าว^{[ 14 ]}

ADT2และ ADT5 เป็นตัวอย่างอื่นของโปรตีนที่ทำหน้าที่หลายอย่างในพืช โปรตีนทั้งสองชนิดนี้มีบทบาทในการสังเคราะห์ฟีนิลอะลานีนเช่นเดียวกับ ADT อื่นๆ อย่างไรก็ตาม ADT2 ร่วมกับFtsZมีความจำเป็นในการแบ่งคลอโรพลาสต์ และ ADT5 จะถูกขนส่งโดยสตรอมูลเข้าไปในนิวเคลียส^{[ 16 ]}

ในหลายกรณี การทำงานของโปรตีนไม่เพียงขึ้นอยู่กับโครงสร้างของมันเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับตำแหน่งของมันด้วย ตัวอย่างเช่น โปรตีนตัวเดียวอาจมีหน้าที่หนึ่งเมื่อพบในไซโตพลาสซึมของเซลล์ มีหน้าที่ที่แตกต่างกันเมื่อมีปฏิสัมพันธ์กับเยื่อหุ้มเซลล์ และมีหน้าที่ที่สามหากถูกขับออกจากเซลล์ คุณสมบัติของโปรตีนที่มีหลายหน้าที่นี้เรียกว่า "การกำหนดตำแหน่งที่แตกต่างกัน" ^{[ 20 ]}ตัวอย่างเช่น ในอุณหภูมิที่สูงขึ้น DegP ( HtrA ) จะทำหน้าที่เป็นโปรตีเอสโดยการย่อยสลายโปรตีนอย่างมีทิศทาง และในอุณหภูมิที่ต่ำกว่าจะทำหน้าที่เป็นชาเปอโรนโดยช่วยในการพับหรือคลายตัวแบบไม่ใช้พันธะโควาเลนต์ และการประกอบหรือการแยกส่วนของโครงสร้างโมเลกุลขนาดใหญ่อื่นๆ^{[ 11 ]} นอกจากนี้ โปรตีนที่มีหลายหน้าที่อาจแสดงพฤติกรรมที่แตกต่างกันไม่เพียงแต่เป็นผลมาจากตำแหน่งของมันภายในเซลล์เท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับชนิดของเซลล์ที่โปรตีนนั้นถูกแสดงออกด้วย^{[ 20 ]}การทำงานหลายหน้าที่อาจเป็นผลมาจากการดัดแปลงหลังการแปล (PTMs) ที่แตกต่างกันด้วย^{[ 21 ]}ในกรณีของเอนไซม์ไกลโคไลติก กลีเซอรัลดีไฮด์-3-ฟอสเฟตดีไฮโดรจีเนส ( GAPDH ) การเปลี่ยนแปลงใน PTM ได้รับการแสดงให้เห็นว่าเกี่ยวข้องกับฟังก์ชันการทำงานหลายอย่างในลำดับที่สูงขึ้น^{[ 22 ] [ 23 ]}

วิธีการอื่นๆ ที่โปรตีนอาจทำหน้าที่หลายอย่างพร้อมกัน ได้แก่ การเปลี่ยน สถานะ โอลิโกเมอร์การเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของลิแกนด์หรือสารตั้งต้นของโปรตีน การใช้ตำแหน่งการจับแบบอื่น หรือสุดท้าย คือ การฟอสโฟรีเลชันตัวอย่างของโปรตีนที่แสดงหน้าที่ต่างกันในสถานะโอลิโกเมอร์ที่แตกต่างกันคือไพรูเวทไคเนสซึ่งแสดงกิจกรรมทางเมตาบอลิซึมในรูปของเตตระเมอร์และ กิจกรรมการจับ ฮอร์โมนไทรอยด์ในรูปของโมโนเมอร์ การเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของลิแกนด์หรือสารตั้งต้นอาจทำให้หน้าที่ของโปรตีนเปลี่ยนไป ตัวอย่างเช่น ในสภาวะที่มีความเข้มข้นของเหล็กสูงอะโคนิเทสจะทำหน้าที่เป็นเอนไซม์ ในขณะที่ในสภาวะที่มีความเข้มข้นของเหล็กต่ำ อะโคนิเทสจะทำหน้าที่เป็นโปรตีนที่จับกับธาตุเหล็กที่ตอบสนองต่อเหล็ก (IREBP) เพื่อเพิ่มการดูดซึมเหล็ก โปรตีนอาจทำหน้าที่แยกกันโดยใช้ตำแหน่งการจับแบบอื่นที่ทำหน้าที่ต่างกัน ตัวอย่างเช่นเซรูโลพลาสมิน โปรตีนที่ทำหน้าที่เป็นออกซิเดสในการเผาผลาญทองแดงและทำหน้าที่หลายอย่างพร้อมกัน เช่น ก ลูตาไธโอนเปอร์ออกซิ เด สที่ไม่ขึ้นกับทองแดงสุดท้ายนี้ การฟอสโฟรีเลชันบางครั้งอาจทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในหน้าที่ของโปรตีนที่ทำหน้าที่หลายอย่างพร้อมกัน ตัวอย่างเช่น การฟอสโฟรีเลชันของ ฟอสโฟ กลูโคสไอโซเมอเรส ( PGI) ที่ Ser-185 โดย โปรตีน ไคเนส CK2ทำให้มันหยุดทำงานในฐานะเอนไซม์ ในขณะที่ยังคงทำหน้าที่เป็นปัจจัยการเคลื่อนที่แบบออโตครีน^{[ 5 ]}ดังนั้น เมื่อเกิดการกลายพันธุ์ที่ทำให้หน้าที่ของโปรตีนที่ทำหน้าที่หลายอย่างพร้อมกันไม่ทำงาน หน้าที่อื่นๆ อาจไม่ได้รับผลกระทบเสมอไป^{[ 14 ]}

โครงสร้างผลึกของโปรตีนที่มีหลายหน้าที่ เช่นเอนโดนิวคลีเอส / มาทูเรส I-AniI ^{[ 24 ]}และโพรลีนดีไฮโดรจี เน ส/ ปัจจัยการถอดรหัส PutA ^{[ 25 ]}ได้รับการกำหนดแล้ว^{[ 26 ]}การวิเคราะห์โครงสร้างผลึกเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าโปรตีนที่มีหลายหน้าที่สามารถทำหน้าที่ทั้งสองอย่างพร้อมกัน หรือผ่านการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างสลับระหว่างสองสถานะ ซึ่งแต่ละสถานะสามารถทำหน้าที่แยกกันได้ ตัวอย่างเช่น โปรตีน DegP มีบทบาทในการย่อยสลายโปรตีนที่อุณหภูมิสูงขึ้น และเกี่ยวข้องกับหน้าที่การพับตัวใหม่ที่อุณหภูมิต่ำลง^{[ 26 ]}สุดท้าย โครงสร้างผลึกเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าหน้าที่ที่สองอาจส่งผลเสียต่อหน้าที่แรกในโปรตีนที่มีหลายหน้าที่บางชนิด ดังที่เห็นใน ƞ-crystallin หน้าที่ที่สองของโปรตีนสามารถเปลี่ยนแปลงโครงสร้าง ลดความยืดหยุ่น ซึ่งในทางกลับกันอาจทำให้กิจกรรมของเอนไซม์ลดลงบ้าง^{[ 26 ]}

โปรตีนที่ทำหน้าที่หลายอย่างพร้อมกันมักถูกค้นพบโดยบังเอิญ เนื่องจากไม่มีขั้นตอนที่ชัดเจนในการระบุหน้าที่หลายอย่างพร้อมกันรอง แม้จะมีอุปสรรคดังกล่าว จำนวนโปรตีนที่ทำหน้าที่หลายอย่างพร้อมกันที่ถูกค้นพบก็เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว นอกจากนี้ โปรตีนที่ทำหน้าที่หลายอย่างพร้อมกันยังดูเหมือนจะมีอยู่มากมายในอาณาจักรของสิ่งมีชีวิตทั้งหมด^{[ 14 ]}

มีการใช้วิธีการต่างๆ เพื่อกำหนดหน้าที่ของโปรตีน รวมถึงหน้าที่เสริมอื่นๆ ตัวอย่างเช่น การกระจายตัวของโปรตีนในเนื้อเยื่อ เซลล์ หรือระดับเซลล์ย่อย อาจให้เบาะแสเกี่ยวกับหน้าที่ของโปรตีนนั้นได้ เทคนิคReal-time PCRใช้ในการวัดปริมาณmRNAและอนุมานการมีอยู่หรือไม่มีอยู่ของโปรตีนเฉพาะที่ถูกเข้ารหัสโดย mRNA ในเซลล์ประเภทต่างๆ หรือ อาจใช้เทคนิค อิมมูโนฮิสโตเคมีหรือแมสสเปกโทรเมตรีในการตรวจจับโปรตีนโดยตรงและกำหนดตำแหน่งภายในเซลล์ ประเภทเซลล์ และเนื้อเยื่อที่โปรตีนนั้นแสดงออก

การวิเคราะห์มวลสารด้วยสเปกโทรเมตรีอาจใช้ในการตรวจจับโปรตีนโดยอาศัยอัตราส่วนมวลต่อประจุเนื่องจากการตัดต่อทางเลือกและการดัดแปลงหลังการแปลรหัสการระบุโปรตีนโดยอาศัยมวลของไอออนหลักเพียงอย่างเดียวจึงทำได้ยากมาก อย่างไรก็ตามการวิเคราะห์มวลสารด้วยสเปกโทรเมตรีแบบคู่ขนานซึ่งแต่ละพีคหลักจะถูกแยกส่วนทีละส่วน สามารถใช้ในการระบุโปรตีนได้อย่างชัดเจน ดังนั้น การวิเคราะห์มวลสารด้วยสเปกโทรเมตรีแบบคู่ขนานจึงเป็นหนึ่งในเครื่องมือที่ใช้ในโปรตีโอมิกส์เพื่อระบุการมีอยู่ของโปรตีนในเซลล์ประเภทต่างๆ หรือตำแหน่งย่อยของเซลล์ ในขณะที่การมีอยู่ของโปรตีนที่มีหลายหน้าที่ในตำแหน่งที่ไม่คาดคิดอาจทำให้การวิเคราะห์ตามปกติซับซ้อนขึ้น ในขณะเดียวกัน การตรวจพบโปรตีนในคอมเพล็กซ์โปรตีนหลายชนิดหรือตำแหน่งที่ไม่คาดคิด บ่งชี้ว่าโปรตีนนั้นอาจมีหน้าที่หลากหลาย^{[ 20 ]}นอกจากนี้ การวิเคราะห์มวลสารด้วยสเปกโทรเมตรีอาจใช้เพื่อตรวจสอบว่าโปรตีนมีระดับการแสดงออกสูงที่ไม่สัมพันธ์กับกิจกรรมการเผาผลาญที่วัดได้ของเอนไซม์หรือไม่ ระดับการแสดงออกเหล่านี้อาจบ่งชี้ว่าโปรตีนกำลังทำหน้าที่ที่แตกต่างจากที่เคยทราบมาก่อน^{[ 5 ]}

โครงสร้างของโปรตีนยังสามารถช่วยกำหนดหน้าที่ของมันได้ โครงสร้างของโปรตีนนั้นสามารถอธิบายได้ด้วยเทคนิคต่างๆ รวมถึงการตกผลึก ด้วย รังสีเอกซ์หรือNMR การแทรกสอดแบบโพลาไรซ์คู่สามารถใช้ในการวัดการเปลี่ยนแปลงในโครงสร้างของโปรตีน ซึ่งอาจให้เบาะแสเกี่ยวกับหน้าที่ของโปรตีนได้เช่นกัน สุดท้าย การประยุกต์ใช้แนวทางชีววิทยาระบบ^{[ 27 ]}เช่นอินเตอร์แอคโตมิกส์จะให้เบาะแสเกี่ยวกับหน้าที่ของโปรตีนโดยพิจารณาจากสิ่งที่มันมีปฏิสัมพันธ์ด้วย

ในกรณีของเอนไซม์ไกลโคไลติกกลีเซอรัลดีไฮด์-3-ฟอสเฟต ดีไฮโดรจีเนส (GAPDH) นอกเหนือจากหน้าที่ทางเลือกจำนวนมากแล้ว ยังพบว่าเอนไซม์นี้สามารถมีส่วนร่วมในหน้าที่เดียวกันได้หลายวิธี (การทำงานหลายอย่างภายในการทำงานหลายอย่าง) ตัวอย่างเช่น ในบทบาทของการรักษาสมดุลของธาตุเหล็กในเซลล์ GAPDH สามารถทำหน้าที่นำเข้าหรือขับธาตุเหล็กออกจากเซลล์ได้ ยิ่งไปกว่านั้น ในกรณีของกิจกรรมการนำเข้าธาตุเหล็ก GAPDH สามารถขนส่งโฮโลทรานสเฟอร์รินและโมเลกุลที่เกี่ยวข้องอย่างแลคโตเฟอร์รินเข้าสู่เซลล์ได้หลายเส้นทาง^{[ 28 ]}

ในกรณีของคริสตัลลินยีนจะต้องรักษาลำดับสำหรับการทำงานของตัวเร่งปฏิกิริยาและการทำงานในการรักษาความโปร่งใส^{[ 9 ]}โดยทั่วไปแล้วคริสตัลลินในเลนส์ที่มีอยู่มากมายนั้นถูกมองว่าเป็นโปรตีนคงที่ที่ทำหน้าที่เฉพาะด้านโครงสร้างในการรักษาความโปร่งใสและต้อกระจก[ ^{29 ] อย่างไรก็ตาม}การศึกษาล่าสุดแสดงให้เห็นว่าคริสตัลลินในเลนส์มีความหลากหลายมากกว่าที่เคยรับรู้มาก่อน และหลายชนิดมีความเกี่ยวข้องหรือเหมือนกับเอนไซม์เมตาบอลิซึมและโปรตีนความเครียดที่พบในเนื้อเยื่อจำนวนมาก^{[ 30 ]}แตกต่างจากโปรตีนอื่นๆ ที่ทำหน้าที่เฉพาะทางสูง เช่นโกลบินหรือโรดอปซินคริสตัลลินมีความหลากหลายมากและแสดงความแตกต่างระหว่างสายพันธุ์ต่างๆ มากมาย โดยพื้นฐานแล้วเลนส์ของสัตว์มีกระดูกสันหลังทั้งหมดมีตัวแทนของคริสตัลลิน α และ β/γ ซึ่งเป็น "คริสตัลลินที่พบได้ทั่วไป" ซึ่งมีความหลากหลายในตัวเอง และมีเพียงไม่กี่สายพันธุ์หรือกลุ่มอนุกรมวิธานที่เลือกเท่านั้นที่ใช้โปรตีนที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิงเป็นคริสตัลลินในเลนส์ ความขัดแย้งของคริสตัลลินที่มีลำดับอนุรักษ์ไว้สูงในขณะที่มีจำนวนและการกระจายตัวที่หลากหลายอย่างมาก แสดงให้เห็นว่าคริสตัลลินจำนวนมากมีหน้าที่สำคัญนอกเลนส์และกระจกตา และความสามารถในการทำงานหลายอย่างของคริสตัลลินนี้เกิดขึ้นจากการทำงานนอกเวลา^{[ 31 ]}

การดึงดูดคริสตัลลินอาจเกิดขึ้นจากการเปลี่ยนแปลงในการควบคุมยีนที่นำไปสู่การแสดงออกของเลนส์ในระดับสูง ตัวอย่างหนึ่งคือ กลูตาไธโอน เอส-ทรานสเฟอเรส/เอส11-คริสตัลลิน ซึ่งมีความเฉพาะเจาะจงสำหรับการแสดงออกในเลนส์โดยการเปลี่ยนแปลงในการควบคุมยีนและการจำลองยีนข้อเท็จจริงที่ว่าปัจจัยการถอดรหัสที่คล้ายกัน เช่น Pax-6 และตัวรับกรดเรติโนอิก ควบคุมยีนคริสตัลลินที่แตกต่างกัน แสดงให้เห็นว่าการแสดงออกเฉพาะเลนส์มีบทบาทสำคัญในการดึงดูดโปรตีนอเนกประสงค์เช่นคริสตัลลิน การดึงดูดคริสตัลลินเกิดขึ้นทั้งแบบมีและไม่มีการจำลองยีน และการจำลองยีนแบบคู่ขนานเกิดขึ้นในหมู่คริสตัลลินบางชนิด โดยหนึ่งในยีนที่จำลองขึ้นมามีความเฉพาะเจาะจงสำหรับการแสดงออกในเลนส์ α-คริสตัลลินที่พบได้ทั่วไปและ δ-คริสตัลลินของนกเป็นสองตัวอย่าง^{[ 32 ]}

α-crystallins ซึ่งมีส่วนช่วยในการค้นพบ crystallins ในฐานะโปรตีนที่ยืมมา^{[ 33 ]}ได้สนับสนุนทฤษฎีการแบ่งปันยีนอย่างต่อเนื่อง และช่วยในการกำหนดกลไกที่ใช้สำหรับการแบ่งปันยีนด้วยเช่นกัน มี α-crystallin สองยีน (αA และ αB) ซึ่งมีลำดับกรดอะมิโนเหมือนกันประมาณ 55% ^{[ 30 ]}การศึกษาการแสดงออกในเซลล์ที่ไม่ใช่เลนส์แสดงให้เห็นว่า αB-crystallin นอกเหนือจากการเป็นโปรตีนเลนส์ที่มีฟังก์ชันแล้ว ยังเป็นโปรตีนช็อกความร้อนขนาดเล็กที่มีฟังก์ชันอีกด้วย^{[ 34 ]} αB-crystallin ถูกกระตุ้นโดยความร้อนและความเครียดทางสรีรวิทยาอื่นๆ และสามารถปกป้องเซลล์จากอุณหภูมิที่สูงขึ้น^{[ 35 ]}และความเครียดจากไฮเปอร์ โทนิก ^{[ 36 ]} αB-crystallin ยังมีการแสดงออกมากเกินไปในพยาธิสภาพหลายอย่าง รวมถึงโรคทางระบบประสาทเสื่อมไฟโบรบลาสต์ของผู้ป่วยที่เป็นโรค Werner syndromeที่แสดงอาการแก่ก่อนวัย และความผิดปกติของการเจริญเติบโต นอกจากจะมีการแสดงออกมากเกินไปภายใต้สภาวะผิดปกติแล้ว αB-crystallin ยังมีการแสดงออกอย่างต่อเนื่องในหัวใจ กล้ามเนื้อโครงร่าง ไต ปอด และเนื้อเยื่ออื่นๆ อีกมากมาย^{[ 37 ]}ในทางตรงกันข้ามกับ αB-crystallin ยกเว้นการแสดงออกในระดับต่ำในต่อมไทมัส ม้าม และเรตินา^{[ 38 ]} αA-crystallin มีความเชี่ยวชาญสูงในการแสดงออกในเลนส์^{[ 39 ]}และไม่สามารถเหนี่ยวนำให้เกิดความเครียดได้ อย่างไรก็ตาม เช่นเดียวกับ αB-crystallin มันยังสามารถทำหน้าที่เป็นโมเลกุลผู้ช่วยและป้องกันความเครียดจากความร้อนได้

β/γ-คริสตัลลินแตกต่างจาก α-คริสตัลลินตรงที่เป็นตระกูลยีนขนาดใหญ่ โปรตีนอื่นๆ เช่น เปลือกสปอร์ของแบคทีเรีย โปรตีนซีสต์ของราเมือก และโปรตีนเฉพาะการแยกแยะของผิวหนังชั้นนอก มีลวดลายกุญแจกรีกเดียวกันและถูกจัดอยู่ในกลุ่มซูเปอร์แฟมิลี β/γ คริสตัลลิน ความสัมพันธ์นี้สนับสนุนแนวคิดที่ว่า β/γ-คริสตัลลินได้รับการดึงดูดโดยกลไกการแบ่งปันยีน อย่างไรก็ตาม ยกเว้นรายงานบางฉบับ ยังไม่พบหน้าที่ที่ไม่หักเหแสงของ β/γ-คริสตัลลิน^{[ 31 ]}

เช่นเดียวกับเลนส์กระจกตาเป็นเนื้อเยื่อโปร่งใสที่ไม่มีหลอดเลือดซึ่งได้มาจากเอกโตเดิร์มทำหน้าที่โฟกัสแสงไปยังเรตินาอย่างไรก็ตาม ต่างจากเลนส์ กระจกตาต้องอาศัยส่วนต่อประสานระหว่างอากาศและเซลล์ รวมถึงความโค้งของมันในการหักเหแสง การศึกษาทางภูมิคุ้มกันวิทยาในระยะแรกแสดงให้เห็นว่า BCP 54 ประกอบด้วยโปรตีนที่ละลายได้ทั้งหมดในกระจกตาของวัว 20–40% [ ^{40 ] การ}ศึกษาต่อมาได้ระบุว่า BCP 54 คือ ALDH3 ซึ่งเป็นเอนไซม์ไซโตโซลิกที่ถูกกระตุ้นโดยเนื้องอกและสารแปลกปลอม พบในมนุษย์ หนู และสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมอื่นๆ^{[ 41 ]}

แม้ว่าจะเห็นได้ชัดว่าการแบ่งปันยีนส่งผลให้คริสตัลลินของเลนส์จำนวนมากเป็นโปรตีนที่มีหลายหน้าที่ แต่ก็ยังไม่แน่ใจว่าคริสตัลลินใช้คุณสมบัติที่ไม่หักเหแสงในเลนส์ในระดับใด หรือถูกคัดเลือกบนพื้นฐานใด α-คริสตัลลินแสดงให้เห็นกรณีที่น่าเชื่อถือว่าคริสตัลลินของเลนส์ใช้ความสามารถที่ไม่หักเหแสงภายในเลนส์เพื่อป้องกันการรวมตัวของโปรตีนภายใต้ความเครียดจากสิ่งแวดล้อมต่างๆ^{[ 42 ]}และเพื่อป้องกันการไม่ทำงานของเอนไซม์จากการดัดแปลงหลังการแปล เช่นไกลเคชั่น [ ^{43 ] α-}คริสตัลลินอาจมีบทบาทในการทำงานในความเสถียรและการปรับโครงสร้างของโครงร่างเซลล์ในระหว่างการสร้างความแตกต่างของเซลล์ เส้นใย ในเลนส์^{[ 44 ]}ในกระจกตา มีการเสนอว่า ALDH3 มีหน้าที่ในการดูดซับแสง UV-B ด้วย^{[ 45 ]}

จากความคล้ายคลึงกันระหว่างเลนส์และกระจกตา เช่น เอนไซม์ที่ละลายน้ำได้จำนวนมาก และการที่มาจากเนื้อเยื่อชั้นนอก (ectoderm) ทำให้เชื่อกันว่าเลนส์และกระจกตาได้วิวัฒนาการร่วมกันในฐานะ "หน่วยการหักเหของแสง" การแบ่งปันยีนจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการส่งผ่านและการหักเหของแสงไปยังเรตินาโดยหน่วยการหักเหของแสงนี้ การศึกษาต่างๆ แสดงให้เห็นว่าเอนไซม์/โปรตีนที่ละลายน้ำได้หลายชนิดที่สร้างโดยกระจกตาเหมือนกับคริสตัลลินของเลนส์เฉพาะกลุ่ม เช่น ALDH1A1/η-crystallin, α-enolase/τ-crystallin และ lactic dehydrogenase/α-crystallin นอกจากนี้ เนื้อเยื่อบุผิวของกระจกตาของ กบซึ่งสามารถเปลี่ยนสภาพไปสร้างเลนส์ใหม่ได้ ยังแสดงออกถึงคริสตัลลินของเลนส์ที่พบได้ทั่วไปอย่างมากมาย ได้แก่ α, β และ γ นอกเหนือจากคริสตัลลินเฉพาะกลุ่ม α-enolase/τ-crystallin ด้วย โดยรวมแล้ว ความคล้ายคลึงกันในการแสดงออกของโปรตีนเหล่านี้ในกระจกตาและเลนส์ ทั้งในด้านความอุดมสมบูรณ์และความเฉพาะเจาะจงของอนุกรมวิธาน สนับสนุนแนวคิดเรื่องวิวัฒนาการร่วมกันของเลนส์และกระจกตาผ่านการแบ่งปันยีน^{[ 46 ]}

การแบ่งปันยีนมีความเกี่ยวข้อง แต่แตกต่างจากแนวคิดหลายประการในพันธุศาสตร์ วิวัฒนาการ และชีววิทยาระดับโมเลกุล การแบ่งปันยีนเกี่ยวข้องกับผลกระทบหลายอย่างจากยีนเดียวกัน แต่ต่างจากพลีโอโทรปี ตรง ที่จำเป็นต้องมีฟังก์ชันที่แยกจากกันในระดับโมเลกุล ยีนอาจแสดงพลีโอโทรปีเมื่อฟังก์ชันของเอนไซม์ตัวเดียวส่งผลต่อลักษณะฟีโนไทป์ หลายอย่าง การกลายพันธุ์ของยีนที่ใช้ร่วมกันอาจส่งผลต่อลักษณะเพียงอย่างเดียวเท่านั้นการจำลองยีนตามด้วยการกลายพันธุ์ที่แตกต่างกันเป็นอีกปรากฏการณ์หนึ่งที่คิดว่าเป็นองค์ประกอบสำคัญในวิวัฒนาการของฟังก์ชันโปรตีน แต่ในการแบ่งปันยีนนั้นไม่มีความแตกต่างของลำดับยีนเมื่อโปรตีนรับฟังก์ชันใหม่ โพลีเปปไทด์ตัวเดียวรับบทบาทใหม่ในขณะที่ยังคงบทบาทเดิมการตัดต่อทางเลือกสามารถส่งผลให้เกิดการผลิตโพลีเปปไทด์หลายตัว (ที่มีหลายฟังก์ชัน) จากยีนเดียว แต่ตามคำจำกัดความ การแบ่งปันยีนเกี่ยวข้องกับฟังก์ชันหลายอย่างของโพลีเปปไทด์ตัวเดียว^{[ 10 ] : 8–14}

บทบาทที่หลากหลายของโปรตีนที่ทำหน้าที่หลายอย่างพร้อมกันทำให้การกำหนดฟีโนไทป์จากจีโนไทป์มีความซับซ้อน^[ 5 ] ซึ่งเป็น^{อุปสรรคต่อ}การ ศึกษาโรคเมตาบอลิซึม ที่ถ่ายทอดทางพันธุกรรม

สันนิษฐานว่าลักษณะอาการที่ซับซ้อนของความผิดปกติหลายอย่างเกิดจากการมีส่วนร่วมของโปรตีนที่มีหลายหน้าที่ โปรตีนGAPDHมีหน้าที่อย่างน้อย 11 อย่างที่ได้รับการบันทึกไว้ หนึ่งในนั้นรวมถึงอะพอพโทซิส อะพอพโทซิสที่มากเกินไปเกี่ยวข้องกับโรคทางระบบประสาทเสื่อมหลายชนิด เช่น โรคฮันติงตันโรคอัลไซเมอร์และโรคพาร์กินสันรวมถึงภาวะ สมองขาดเลือด ในกรณีหนึ่ง พบ GAPDH ในเซลล์ประสาทที่เสื่อมสภาพของผู้ป่วยที่เป็นโรคอัลไซเมอร์^{[ 5 ]}

แม้ว่าจะมีหลักฐานไม่เพียงพอที่จะสรุปผลได้อย่างแน่นอน แต่ก็มีตัวอย่างที่บันทึกไว้อย่างดีเกี่ยวกับโปรตีนที่ทำหน้าที่หลายอย่างซึ่งมีบทบาทในโรค หนึ่งในโรคดังกล่าวคือวัณโรคโปรตีนที่ทำหน้าที่หลายอย่างในM. tuberculosisมีหน้าที่ต่อต้านผลกระทบของยาปฏิชีวนะ^{[ 11 ] [ 14 ]}โดยเฉพาะอย่างยิ่ง แบคทีเรียจะได้รับ ความต้านทาน ต่อยาปฏิชีวนะciprofloxacinจากการแสดงออกมากเกินไปของglutamate racemase ในร่างกาย [ ^{11 ] GAPDH}ที่อยู่บนพื้นผิวของไมโคแบคทีเรียก่อโรคได้รับการแสดงให้เห็นว่าสามารถจับและขนส่งโปรตีนตัวนำเหล็กของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม transferrin เข้าสู่เซลล์ ส่งผลให้เชื้อก่อโรคได้รับเหล็ก^{[ 47 ]}

• ความไม่จำเพาะเจาะจงของเอนไซม์
• เอนไซม์เทียม

• สื่อที่เกี่ยวข้องกับโปรตีน Moonlightingใน Wikimedia Commons
• ฐานข้อมูล moonlightingproteins.org