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ためひとえいさか
5 years ago
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1 高校生のためのオープンキャンパス 2014

2 Molecular pathogenesis ( 病気の原因を分子レベルで解明すること )

3 ミトコンドリアとはミトコンドリア DN

4 アデノシン三リン酸 (P) P DP + Pi P MP + PPi

5 Wikipedia より

ミトコンドリアと呼吸 P グルコース + 38DP+38Pi+6 2 +6H 2 6 2

6 ミトコンドリアと呼吸 P グルコース + 38DP+38Pi H H 2 +38P ( 6 H 12 6 ) 解糖系 2P クエン酸回路 2P 電子伝達系 34P

7 ミトコンドリアの電子伝達系 P 合成酵素複合体 I (omplex I) 複合体 III (omplex III) 複合体 IV (omplex IV) 複合体 V (omplex V)

8 ミトコンドリア病ミトコンドリア機能異常によって引き起こされる疾患の総称脳心臓骨格筋などのエネルギー需要の高い器官を中心に様々な症状を示す内分泌低身長目まぶたが垂れる皮膚発汗低下多毛消化管下痢便秘腎臓尿細管障害腎不全脳けいれん脳卒中様症状耳難聴心臓心筋症不整脈すい臓糖尿病筋肉筋力低下易疲労性原因遺伝子ミトコンドリア遺伝子異常のある人が約 70% 常染色体の遺伝子に異常がある人が約 30% 原因遺伝子不明のものも多い発症機構詳細な発症機構は不明治療法効果的な治療法はない患者数 ( 国内 ) 推定数百人 ( 特定指定疾患 ) 糖尿病難聴パーキンソン病アルツハイマー病などの患者でミトコンドリア機能異常が原因とみられる患者を含めると数万人にのぼる糖尿病患者約 650 万人の二割 (130 万人 ) はミトコンドリア病であると見積もられている

9 ミトコンドリア病の三大病型 MELS (mitochondrial myopathy, encephalopathy, lactic acidosis and stroke-like episodes) 症状 : 脳卒中様の症状や痙攣が特徴原因 : ミトコンドリア trn Leu(R) 遺伝子の変異 MERRF (myoclonus epilepsy associated with ragged-red fibers 福原病 ) 症状 : てんかんと小脳失調を特徴原因 : ミトコンドリア trn Lys 遺伝子の変異 PE (chronic progressive external ophthalmoplegia) 症状 : 外眼筋麻痺や網膜色素変性を特徴原因 : ミトコンドリア DN の欠失ミトコンドリア DN

10 Human mt DN 16,569 bp ヒトミトコンドリア trn Leu(R) 遺伝子 3243 変異 3271 変異 MELS はたった一か所の変異で生じる (80%) (10%) 13 種類のタンパク質 22 種類の trn 2 種類の rrn * p

11 DN と RN の化学構造 H H H またはと記述 H またはと記述

12 セントラルドグマ DN 転写 (transcription) 5 3 RN 翻訳 (translation) NH2 Met Leu Ile Ser ly Leu sp Lys yr Pro sn H Protein

13 ドンtRN はコドンとアミノ酸を結びつけるアダプター分子一次構造末端 p アミノ酸 kissing loop アンチコドン二次構造 trn の高次構造 (L-shape structure) アンチコドンコ

14 タンパク質合成における RN の役割

15 τ m 5 5- タウリノメチルウリジン N N H H H H N H H S * m 1 D τm 5 Ψ Ψ m 5 m 1 m 5 m 2 p ヒトミトコンドリア trn にタウリン修飾が見つかったヒトミトコンドリア trn Leu(R) Leu (Suzuki et al., 2002)

16 MELS 患者はタウリン修飾を欠損している MELS 患者 * m 1 D τm 5 Ψ Ψ m 5 m 1 m 5 m 2 p Leu * m 1 D Ψ Ψ m 5 m 1 m 5 m 2 p Leu 健常者 3243 変異 3271 変異 (80%) (10%)

17 タウリン修飾をもたない trn はコドンを解読できない Bound trn (pmol) τm 5 Bound trn (pmol) Input trn (pmol) τm 5 τm 5 P-site -site Kirino et al., Proc. Natl. cad. Sci. S., 101, (2004)

18 ヒトミトコンドリア DN のコドン使用頻度 (number) ND1 ND2 ND3 ND4 ND4L ND5 ND6 ytb Ⅰ Ⅱ Ⅲ Pase6 Pase8 複合体 I III IV V

19 MELS 細胞におけるミトコンドリアタンパク質合成異常 3271 変異細胞 3243 変異細胞 % 3271 mtdn 0% 87% 100% % 3271 mtdn 0 % 8 7 % % 0% 87% 100% Hayashi et al. Biochem. Biophys. Res. ommun., 197, (1993) Dunbar et al. Hum. Mol. enet., 5, (1996)

20 タウリン修飾は通常のとは異なる対合様式を示す Kurata et al., J. Biol. hem. (2008)

21 τm 5 は 35 とスタッキングできる対合様式を示す通常の wobble 対合 τm 5 wobble 対合

22 MELS 発症の分子機構ミトコンドリア trn Leu(R) の点変異 Mt trn Leu(R) ミトコンドリア trn Leu(R) のタウリン修飾欠損コドン特異的な翻訳能の低下 τ m 5 コドンリッチなタンパク質の発現低下 (ND6) 呼吸鎖酵素複合体の機能異常 (omplex I ) ミトコンドリア機能低下

23 タウリン (2 アミノエタンスルホン酸 ) タウリンは主に魚介特に貝類 ( カキなど ) やいかたこに多く含まれます H 2 N S H コレステロールを代謝する際に胆汁酸塩 ( タウロコール酸 ) の形成に関わります ( コレステロール値を下げる ) 肝細胞の再生を促進させる筋収縮に関わる細胞膜を安定化する細胞内カルシウムの流れを調節する視細胞の維持に必要細胞の増殖に関わる浸透圧の調節に必要ホメオスタシスに関わるしかし RN やタンパク質に取り込まれるという報告例はなかった

24 酸素原子を安定同位体 ( 18 ) で標識したタウリンでヒトのがん細胞を培養し trn を解析した

25 Direct incorporation of [ 18 ] or [ 15 N]taurine into τm 5 s 2 of mitochondrial trns 100 H 2 N 18 S 18 H [ 18 ] taurine Relative bundance V 254 (m) m/z 402 (+4) τm 5 s 2 [ 18 ] taurine H 2 15 N S H [ 15 N ] taurine Relative bundance Relative bundance m/z 398 (±0) m/z 399 (+1) ime (min) None [ 15 N] taurine

26 タウリンはミトコンドリアへ移行してタウリン修飾に使われる aurine E x c r e t i o n B i l e s a l t s ( t a u r o c h o l a t e ) a u r i n e P u t a t i v e m t. t a u r i n e t r a n s p o r t e r τ m 5 M i t o c h o n d r i a a u r i n e t r a n s p o r t e r a u r i n e ( p l a s m a ) Suzuki et al., EMB J, 21, (2002)

27 タウリンを作れないネコはタウリンが欠乏すると心筋症になる 1960 年代にアメリカでドッグフードが普及しそれを与えられた猫が次々と失明しさらに心筋症になった原因はドッグフードにタウリンが含まれていないことタウリンの欠乏ミトコンドリア trn の修飾が不完全ミトコンドリアの機能低下エネルギー消費の激しい心臓に傷害 ( 拡張型心筋症失明 etc) (Pion et al., 1987)

28 タウリン修飾の生合成機構ヒトミトコンドリア trn の 34 位セリン (β 炭素 ) HN (S) N メチレン葉酸タウリン HN (S) N N H S H H H (s 2 ) Mto1 PBP3 τm 5 (s 2 ) (Kl, P, FD) タウリン修飾の形成には葉酸とタウリンが必要である

M1 が変異するとミトコンドリア脳筋症を発症する exon1 2 3 4 56 7 8 9 10 11 12 Mto1

sequencing revealed M1 gene is associated with hypertrophic

(2013) Human mutation 34(11):1501-1509. hezzi D, et al.

29 M1 が変異するとミトコンドリア脳筋症を発症する exon Mto1 allele 1kbp I 428 R477H R620Kfs*8 Recent whole exome sequencing revealed M1 gene is associated with hypertrophic cardiomyopathy and lactic acidosis. Baruffini E, et al. (2013) Human mutation 34(11): hezzi D, et al. (2012) m J Hum enet 90(6): Vasta V, et al (2012) Pediatrics international 54(5):

30 タウリンの経口投与は MELS の治療に有効である! 2 名の MELS 患者に毎日タウリンを経口投与したところ 10 年間脳卒中やてんかんをはじめとする症状が全く出ていない Rikimaru et al. (2012)

31 ミトコンドリア脳筋症 (MELS) の原因がわかった! H HN N N H S H 健常者の trn Leu H H タウリン修飾 τm 全身多臓器不全特に脳卒中様の症状を特徴とするヒトの疾患 P を作るミトコンドリアの機能異常が原因でエネルギー消費の激しい器官に傷害が出る H HN N 患者の trn 変異! Leu RN 修飾病の発見! 疾患が RN 修飾の欠損で生じることを示した世界初の例 H H 修飾の欠損! コドンが読めない!

ナノの技術をバイオに応用

ナノの技術をバイオに応用本日までお試し期間なので出席は取りません現代生物学概論 2 遺伝子 ( プログラム ) と蛋白質 ( ナノマシン ) 先進理工学科化学生物学研究室准教授生体機能システムコース瀧真清 1 本日の概要 : 蛋白質生合成の全スキーム D から蛋白質への情報の流れアミノ酸から蛋白質への物質の流れ転写 D 本日は詳細は省略アミノアシル tr 合成酵素 (RS) 翻訳 mr コドンーアンチコドンの対合