本日の道筋 1. 生命体を構成する細胞 2. 遺伝情報の継承 3. 遺伝情報からタンパク質へ 4. 生体内での情報の流れ 5. ゲノムと遺伝子産物の解明と技術 6. 遺伝子多型 遺伝病 関連解析 7. トランスクリプトーム解析 ヒト遺伝子アノテーションデータベース 生化学 発生学 2

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1 生命体の成り立ちと情報の流れ 理化学研究所ゲノム医科学研究センター統計解析 技術開発グループ統計解析研究チーム山口由美 1

2 本日の道筋 1. 生命体を構成する細胞 2. 遺伝情報の継承 3. 遺伝情報からタンパク質へ 4. 生体内での情報の流れ 5. ゲノムと遺伝子産物の解明と技術 6. 遺伝子多型 遺伝病 関連解析 7. トランスクリプトーム解析 ヒト遺伝子アノテーションデータベース 生化学 発生学 2

3 ~ 自己紹介と研究歴 九州大学大学院理学研究科生物学専攻 キイロショウジョウバエを用いた 集団遺伝学的研究 総合研究大学院大学生命科学研究科遺伝学専攻 ( 国立遺伝学研究所 ) エイズウイルス (HIV) の表面タンパク質の分子進化機構 ウイルス学分子進化学遺伝情報解析病原性ウイルスを中心に 遺伝情報解析による研究 ( タンパク質の立体構造 ) 産業技術総合研究所生物情報解析研究センター統合データベース解析チームヒト遺伝子情報整備ヒト遺伝子アノテーションプロジェクトヒト遺伝子に関する統合データベース構築 H-InvDB ヒトの遺伝子多型情報整備 現在独立行政法人理化学研究所遺伝子多型研究センターゲノム医科学研究センター ( 改称 ) ヒトの遺伝子多型解析日本人の集団構造と関連解析への影響 生物学遺伝学分子生物学集団遺伝学 生命情報学

4 1. 生命体を構成する細胞 4

5 3 大生物界 古細菌 archaebacteria 真正細菌 eubacteria ( 大腸菌 クラミジアなど ) 核が無い 真核生物 ( メタン細菌 高度好塩菌 高度好熱菌 ) 単細胞 核が無い独特な細胞膜 eukaryote ( 酵母 動物 植物など ) 細胞核を持つ 生命の起源より すべては進化の賜物 5 1. 生命体を構成する細胞

6 細胞説 あらゆる生物細胞から成り立っている 細胞は 生物の構造および機能的単位 (1880 年ごろ ) 顕微鏡による細胞の観察 シュライデンによる植物細胞の研究 シュワンによる動物細胞の研究 全ての細胞は細胞から生じる ( ウィルヒョー 1858)

7 生体の階層性 個体 器官 組織 細胞 分子 原子

8 遺伝子はどこにある? 小胞体 細胞質 ゴルジ体 核 細胞膜 細胞内骨格 ミトコンドリア ペルオキシソーム

9 遺伝子と遺伝情報とは? どこに どんな風に存在するのか? 細胞の核の中に 染色体があります 核 染色体が紐解かれると DNA とヒストンタンパク質です ヒストンタンパク質 DNA

10 体細胞分裂 (mitosis) ( 単純化して図示 ) 細胞分裂 染色体の倍化

11 細胞周期 有糸分裂期 M 期 G2 期 G1 期 G0 期 S 期 DNA の複製ヒストンの合成 間期 生命体を構成する細胞

12 体細胞と生殖細胞 体細胞 生殖細胞 次の世代へ 1. 生命体を構成する細胞 12

13 減数分裂 (meiosis) 単純に図示 染色体の倍化 相同染色体の対合 ここで交叉が起こる 分裂 それぞれの配偶子での染色体の数は 体細胞の染色体の数の半分となる

14 14 1. 生命体を構成する細胞

15 減数分裂 ( 配偶子形成 ) 連鎖 細胞の中の染色体は 父方のものと母方のものがペアで存在します 受精に備え 父親の体内では精子が 母親の体内では卵が作られます そのときに 染色体の数が半数になります また 父方の染色体と母方の染色体の間で交叉が起こることによって 新しいハイブリッドの染色体が形成されます そのときに 染色体上の近くに存在する 2 つの座位は 共に行動する可能性が高く 共に遺伝継承されやすくなります 生命体を構成する細胞

16 参考書と情報リソース 細胞の分子生物学 (Molecular Biology of the ell) 五つの王国 (Five kingdoms) 1. 生命体を構成する細胞

17 2. 遺伝情報の継承 17

18 背景 遺伝継承の法則 1900 年より前の遺伝学では 植物の受粉の過程や 動物の卵と精子の結合については分かっていた メンデル時代以前に栄えた遺伝学説は 融合説 (blending theory) であった 黒色と白色の動物の子は一様に灰色になる 黒と白の遺伝物質が一度混合されれば 再び分離できないから メンデルの大きな貢献は 融合説を粒子説 (particulate theory) で置き換えたこと 1865 年に発表 後に ド フリース コレンズ チェルマックの 3 人によって独立に再発見される 近代遺伝学の第一歩 遺伝情報の継承 18

19 メンデルの遺伝の法則 : 第一法則 分離の法則 (law of segregation) 遺伝的形質は粒子状の因子 ( 現在では遺伝子と呼ばれている ) によって決定され これらの因子は対になっていて 配偶子の形成にあたって分離し 対になっている一つだけが特定の配偶子によって伝えられる 背の高いエンドウ ( 純系 ) X 背の低いエンドウ ( 純系 ) すべて背の高いエンドウ 自家受粉 背の高いエンドウ : 背の低いエンドウ =3:1 遺伝情報の継承 19

20 メンデルの遺伝の法則 : 第二法則 独立の法則 Law of independence 2 つ以上の形質 ( 異なる座位に存在すると想定 ) での遺伝において それぞれの形質にかかわる対立遺伝子は 配偶子形成のとき 独立に配偶子に分配される 遺伝情報の継承 20

21 メンデルの遺伝の法則 : 第三法則 優劣の法則 ( 優性の法則 ) ある形質に関する座位で 異なるタイプの 2 つの遺伝子を受け継いで どちらか一方の形質が表れる場合 表れてくる方が優性 遺伝情報の継承 21

22 用語の定義 遺伝子 (gene): 遺伝的因子 配偶子 (gamete): 卵や精子 植物ではそれに相当するもの 接合体 (zygote): 2 個の配偶子が受精によって接合したもの ホモ接合体 (homozygote): 同じ遺伝因子を2 個もった接合体 ヘテロ接合体 (heterozygote): 異なる遺伝因子を2 個もった接合体 対立遺伝子, アリル アレル (allele): 接合体で対をなしている遺伝子 優性 (dominant): ヘテロの状態でその形質を表す 劣性 (recessive): ヘテロの状態で形質が隠される 表現型 (phenotype): 遺伝的な構成によって決まる形質 備考 : 日本語の訳語や漢字は 必ずしも意味にぴったりではない ここでの優性 劣性は 形質が表れるかどうかのことであり 優れているかどうかの意味は無いので注意 遺伝情報の継承 22

23 連鎖と組み換え 配偶子 ( 精子や卵 ) が形成されるときに 減数分裂が起きて 染色体の数が半数になります そのときに 父方と母方の染色体の間で交叉が起きて キメラの染色体が出来ます つまり 有性生殖ならではの 新しい組み合わせができます 2 つの座位の距離によって 交叉の可能性や期待される数が異なってくるので 組み換えの可能性の程度が違う 2 つの座位が近いと 一緒に遺伝継承される可能性が高い ( 連鎖している ) 遺伝情報の継承 23

24 集団遺伝学 ハーディー ワインバーグの法則 対立遺伝子 (allele) が 2 つの場合 p 2 +2pq +q 2 = 1 (p +q = 1) p: 集団中で多数派の対立遺伝子の頻度 q: 集団中で少数派の対立遺伝子の頻度 劣性遺伝病の保因者の頻度の推定 p 2 +2pq +q 2 = 1 1 / 2,000 例のう胞性繊維症 1/22 遺伝情報の継承 24

25 参考書と情報リソース 遺伝学概説 (J.F. クロー著 ) 培風館 遺伝学キーノート ( ウィンターら著 ) シュプリンガージャパン オンリーワン ゲノム ( 鎌谷直之著 ) 星の環会 ( ヒトについて ) 国立遺伝学研究所遺伝学電子博物館

26 3. 遺伝情報からタンパク質へ 26

27 T A G 遺伝暗号 T A G TTT Phe TT Phe TTA Leu TTG Leu TT Leu T Leu TA Leu TG Leu ATT Ile AT Ile ATA Ile ATG Met GTT Val GT Val GTA Val GTG Val TT Ser T Ser TA Ser TG Ser T Pro Pro A Pro G Pro AT Thr A Thr AA Thr AG Thr GT Ala G Ala GA Ala GG Ala 2 文字目 TAT Tyr TA Tyr TAA Ter TAG Ter AT His A His AA Gln AG Gln AAT Asn AA Asn AAA Lys AAG Lys TGT ys TG ys TGA Ter TGG Trp GT Arg G Arg GA Arg GG Arg 1 文字目 3 文字目 GAT Asp GA Asp GAA Glu GAG Glu AGT Ser AG Ser AGA Arg AGG Arg GGT Gly GG Gly GGA Gly GGG Gly T A G T A G T A G T A G 3. 遺伝情報からタンパク質へ 27

28 タンパク質を構成する 20 種類のアミノ酸 (1) H 3 N + H H グリシン Gly, G ロイシン Leu, L OO - H 3 H 3 N + H H 2 H O H 3 H 3 N + OO - H 2 NH 2 H 3 H アラニン Ala, A OO - H 3 S H 2 H 2 H 3 H 3 N + H H バリン Val, V H 3 N + H 3 OO - H 3 H H 2 H H 3 イソロイシン Ile, I H 3 N + スレオニン Thr, T OO - OH H H H 3 OO - NH 2 H 2 H 2 + NH 2 O H 3 N + H 2 H NH 2 アスパラギン Asn, N H 3 N + SH H 2 H OO - OO - システイン ys, H 3 N + グルタミン Gln, Q H 2 H 3 N + OO - H 2 OO - H H 3 N + OO - H H メチオニン Met, M アルギニン Arg, R 遺伝情報からタンパク質へ

29 タンパク質を構成する 20 種類のアミノ酸 (2) OH H 3 N + OO - H 2 OO - + NH 3 OO - H 2 OO - H 3 N + OO - H 2 H 2 H 2 H 2 H 2 N + H H アスパラギン酸 Asp, D H H H H H H セリン Ser, S HN NH + H 3 N + H OO - グルタミン酸 Glu, E OH H 3 N + H 2 H 2 H OO - リジン Lys, K H 2 H N H 2 H 2 プロリン Pro, P H 2 H 2 H 2 H 2 H 3 N + OO - H 3 N + OO - H 3 N + OO - H 3 N + OO - H フェニルアラニン Phe, F H ヒスチジン His, H H チロシン Tyr, Y H トリプトファン Trp, W 遺伝情報からタンパク質へ

30 遺伝子の産物であるタンパク質のその後 翻訳後修飾 輸送 細胞内局在 3. 遺伝情報からタンパク質へ 30

31 タンパク質の一次構造 ~ 四次構造 一次構造 二次構造 三次構造 四次構造 3. 遺伝情報からタンパク質へ 31

32 参考書と情報リソース 細胞の分子生物学 (Molecular Biology of the ell) タンパク質の構造入門 (Introduction to Protein Structure) よくわかるDNAと分子生物学 ( 日本実業出版社 ) 武村政春 3. 遺伝情報からタンパク質へ

33 6. ヒトの遺伝子多型 遺伝病 関連解析 33

34 遺伝子多型 疾患や表現形個人間の個性について 分子レベルでは 遺伝子多型 DNA RNA 2 本の染色体 遺伝子発現 遺伝子機能への影響 他の遺伝子との関係 ( 重複遺伝子など ) 環境要因 個体への影響 ( 表現形 疾患 ) タンパク質 修飾他の分子との相互作用... 優性 劣性 表現形 翻訳 ヒトの遺伝子多型 遺伝病 関連解析

35 ヒト遺伝子多型 1 塩基多型 Single Nucleotide Polymorphisms (SNP) ATGATG ATGGTG 挿入 欠失 Insertion and Deletion (Indel) A <-> T G <-> ATGATG AT--TG 6. ヒトの遺伝子多型 遺伝病 関連解析 35

36 どれくらいちがうのか? 人のゲノムの約 30 億個の塩基配列は 個人間で遺伝的な多様性があります 相同な染色体について 2 本のハプロイドゲノムの塩基配列を比べると 1200~1600 塩基に一つの割合で一塩基多型が存在します ゲノムの多型の中には 表現型だけでなく 疾患や薬に対する反応の個人差の原因となっているものがあります 個人のゲノムの配列の多型を解析することにより 遺伝病の原因を明らかにする研究が進んでいます 6. ヒトの遺伝子多型 遺伝病 関連解析 36

37 突然変異 - 分子レベルでの理解 DNA の複製や修復におけるエラー AGT GA GAA GAA AA AGT GT GAA GAA AAA 表現形と関係した例鎌形赤血球による貧血 HbS ( 分子の名前 ) Sickle haemoglobin ホモ接合 : 重篤な貧血ヘテロ接合 : マラリアに抵抗性 A -> T (* 番目の位置のコドンの第 2 ポジション ) グルタミン酸 (Glu) -> バリン (Val) ヒトの遺伝子多型 遺伝病 関連解析

38 塩基置換 A G トランジション Transition ORF の中では 非同義置換 Nonsynonymous Ser Asn AGT GT GA GAA AA AGT GT GT GAA AA AAT GT --- GAA AA AA -> TAA ナンセンス置換 T 終始コドンになる 同義置換 Synonymous (silent) 挿入か欠失 Nonsense (premature stop codon) トランスバージョン Transversion ヒトの遺伝子多型 遺伝病 関連解析

39 ナンセンス変異と 2 種類の効果 Gln...AA......TAA... 1 塩基置換 終始コドン 正常なポリペプチド 短くなったポリペプチド ストップコドンのエクソン上の位置と nonsense-mediated decay 1 番目のエクソン N-1 番目のエクソン 50-55bp 最後のエクソンーイントロン境界 ここに起こるストップコドンは nonsensemediated decay (NMD) を起こす ここに起こるストップコドンにより 短くなったタンパク質が出来る ヒトの遺伝子多型 遺伝病 関連解析

40 単一遺伝子による病気 Single-gene (monogenic) disorders 単一の遺伝子に起因する 遺伝様式が メンデルの遺伝の法則により予測可能 分類 原因遺伝子の位置によって 常染色体上あるは X 染色体上 形質の発現が 劣性または優性 他に ミトコンドリアにある遺伝子による遺伝病もある 6. ヒトの遺伝子多型 遺伝病 関連解析 40

41 常染色体上劣性の遺伝病 Autosomal Recessive Disorders 遺伝様式 女 男 発症保因者健常者 2 つの 病気を起こす対立遺伝子 (allele) を持つときに発症 遺伝子の機能をもつコピーがない ( 遺伝子機能の欠損 ) ヒトの遺伝子多型 遺伝病 関連解析

42 遺伝子座 A におけるヘテロの両親から生まれてくる子供の遺伝子型 女 Aa Aa 男 AA Aa aa aa 25% 25% 50% ヒトの遺伝子多型 遺伝病 関連解析

43 嚢胞性線維症, 膵嚢胞性線維症 ystic fibrosis (F) ヨーロッパに多い 単一遺伝子に起因する遺伝病 1 / 2,000 の割合で乳児に見られる 保因者の割合は 1/22 生存期間は 長くて 30 年 Gene: FTR Map: 7q31.2 OMIM# 全身の外分泌腺 ( 肺など ) の機能が損なわれる 上皮細胞にある塩素イオンチャネルの機能の欠失により またナトリウムイオンも再吸収されないため ねばねばとした粘液が器官の管に詰まり 機能が破壊される 原因遺伝子 ystic fibrosis transmembrane conductance regulator (FTR) 6. ヒトの遺伝子多型 遺伝病 関連解析 43

44 常染色体優性の遺伝病 (Autosomal dominant) 疾患を起こす変異体が たった一つ遺伝することによって発症 全ての世代において 発症者が見られる 発症者の子供は 50% の確率でその病気になる傾向がある 患者保因者健常者 女 男 = = 6. ヒトの遺伝子多型 遺伝病 関連解析 44

45 常染色体上優性の遺伝病の例 ハンチントン病 (Huntington s disease) 家族性乳がん (Familial breast cancer) 筋ジストロフィ (Myotonic dystrophy) ヒトの遺伝子多型 遺伝病 関連解析

46 ハンチントン病 Huntington s disease (HD) 進行性の神経系の退化 中年以降に発症する 痴呆, うつ病 顔や手足に痙攣的運動 HD 遺伝子は1993 年にクローニングされた 原因となる遺伝的変異は トリヌクレオチドAGリピートの反復数の増加 ヒトの遺伝子多型 遺伝病 関連解析

47 伴性遺伝の疾患 (X-linked) ヒトの男性は X 染色体を 1 本しか持っていない 殆どの伴性遺伝の病気は劣性 世代をスキップして遺伝する 女 男 患者保因者健常者 血友病 Duchenne 筋ジストロフィー (DMD) ヒトの遺伝子多型 遺伝病 関連解析

48 血友病 (Haemophilia) 血液が凝固せず 流血が続く 第 8 因子が欠損することによる 染色体上の位置 Xq ヒトの遺伝子多型 遺伝病 関連解析

49 多因子の疾患または形質 遺伝と環境の両方が要因となっている (Multifactorial diseases ) 複数の遺伝子が関与している (omplex diseases) ヒトの遺伝子多型 遺伝病 関連解析

50 大量のSNP 解析によるゲノムワイド関連解析 Genome-wide association studies (GWAS) 対照の疾患の患者集団 /T 旗印の SNP A/G ケース集団 ゲノム全体をカバーするSNPについて 遺伝子型を決定 GA T AA GG T AA 健常者の対照集団 コントロール集団 2 つのグループ間で アリル頻度 ( あるいは遺伝子型頻度の差を統計的に検定する /T P< 感受性のある候補領域 詳細な解析 配列決定によるさらなる多型探索形質について 原因となる多型 あるいはもっとも強い関連のある多型を同定する 理研が 2002 年に最初に成功 ヒトの遺伝子多型 遺伝病 関連解析

51 参考書と情報リソース ヒトの分子遺伝学 ( メディカルサイエンスインターナショナル ) ヒトの遺伝学

52 参考書と情報リソース ストライヤー生化学 コーン スタンプ生化学 生化学超入門 ( 日本実業出版社 ) 生田哲 生化学関係