1

生命体の成り立ちと情報の流れ生命体の成り立ちと情報の流れ

理化学研究所理化学研究所 ゲノム医科学研究センター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・技術開発グループ 統計解析研究チーム統計解析研究チーム

山口山口 由美由美

yyamaguc@src.riken.jpyyamaguc@src.riken.jp

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

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

エイズウイルス(HIV）の表面タンパク質の分子進化機構

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）

キイロショウジョウバエを用いた、集団遺伝学的研究

生物学遺伝学

集団遺伝学

分子進化学ウイルス学

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

2002-2006

ヒトの遺伝子多型情報整備

ヒト遺伝子情報整備

1992-1996

~1992

1996-2001病原性ウイルスを中心に、遺伝情報解析による研究

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

2007-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）

生命情報学

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

分子生物学

(タンパク質の立体構造)

遺伝情報解析

4

１．生命体を構成する細胞１．生命体を構成する細胞

5

３大生物界

１．生命体を構成する細胞生命の起源より、すべては進化の賜物

古細菌

真正細菌

真核生物

（酵母、動物、植物など）

（メタン細菌、高度好塩菌、高度好熱菌）

（大腸菌、クラミジアなど）

archaebacteria

単細胞、核が無い

核が無い

独特な細胞膜eubacteria

eukaryote

細胞核を持つ

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）

生体の階層性

個体

器官

組織

細胞

分子

原子

遺伝子はどこにある？

核

ミトコンドリア ペルオキシソーム

細胞内骨格

ゴルジ体

∵

細胞膜

細胞質 ∵

小胞体

細胞の核の中に、染色体があります。

染色体が紐解かれると、ＤＮＡとヒストンタンパク質です。

DNA

ヒストンタンパク質

遺伝子と遺伝情報とは？どこに、どんな風に存在するのか？

核

体細胞分裂(mitosis)

染色体の倍化

（単純化して図示）

細胞分裂

11

細胞周期

１．生命体を構成する細胞

M期

G1期G2期

S期

G0期

有糸分裂期

間期

DNAの複製

ヒストンの合成

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

減数分裂(meiosis)染色体の倍化 相同染色体の対合

単純に図示

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。

1414１．生命体を構成する細胞

15

減数分裂、（配偶子形成）、連鎖

１．生命体を構成する細胞

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。

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。

参考書と情報リソース

• 細胞の分子生物学(Molecular Biology of the Cell)

• 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２．遺伝情報の継承

18

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。

背景

遺伝情報の継承

19

メンデルの遺伝の法則:第一法則

遺伝情報の継承

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） 背の低いエンドウ（純系）Ｘ

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

20

メンデルの遺伝の法則:第二法則

遺伝情報の継承

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。

21

メンデルの遺伝の法則：第三法則

遺伝情報の継承

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。

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

23

連鎖と組み換え

遺伝情報の継承

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）。

24

集団遺伝学ハーディー・ワインバーグの法則

遺伝情報の継承

p2 +2pq +q2 = 1p: 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

(p +q = 1)

劣性遺伝病の保因者の頻度の推定

例 のう胞性繊維症

p2 +2pq +q2 = 11 / 2,000

1/22

対立遺伝子(allele)が２つの場合

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http://www.nig.ac.jp/museum/msg.html

26

３．遺伝情報からタンパク質へ３．遺伝情報からタンパク質へ

27

遺伝暗号

３．遺伝情報からタンパク質へ

T C A G

TTTT PheTTC PheTTA LeuTTG Leu

TCT SerTCC SerTCA SerTCG Ser

TAT TyrTAC TyrTAA TerTAG Ter

TGT CysTGC CysTGA TerTGG Trp

TCAG

CCTT LeuCTC LeuCTA LeuCTG Leu

CCT ProCCC ProCCA ProCCG Pro

CAT HisCAC HisCAA GlnCAG Gln

CGT ArgCGC ArgCGA ArgCGG Arg

TCAG

AATT IleATC IleATA IleATG Met

ACT ThrACC ThrACA ThrACG Thr

AAT AsnAAC AsnAAA LysAAG Lys

AGT SerAGC SerAGA ArgAGG Arg

TCAG

GGTT ValGTC ValGTA ValGTG Val

GCT AlaGCC AlaGCA AlaGCG Ala

GAT AspGAC AspGAA GluGAG Glu

GGT GlyGGC GlyGGA GlyGGG Gly

TCAG

2文字目

1文字目 3文字目

28

タンパク質を構成する20種類のアミノ酸(1)

アラニンAla, A

バリンVal, V

グリシンGly, G

イソロイシンIle, I

メチオニンMet, M

ロイシンLeu, L

スレオニンThr, T

システインCys, C

アスパラギンAsn, N

グルタミンGln, Q

アルギニンArg, R

CH3

COO-

H

H3N+ CH3C

COO-

H

H3N+ C

CH3CH

H

COO-

H

H3N+ C

COO-

H

H3N+ C

CH3

CH

CH2

H3C

COO-

H

H3N+ C

CH3

CH

CH2

H3C

OH

COO-

H

H3N+ C

CH3

CH

COO-

H

H3N+ C

CH3

CH2

CH2

S

O

COO-

H

H3N+ C

NH2

C

CH2

COO-

H

H3N+ C

CH2

SH

CH2

O

COO-

H

H3N+ C

NH2C

CH2CH2

C

COO-

H

H3N+ C

CH2

CH2

NH2

NH2

+

３．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)

フェニルアラニンPhe, F

プロリンPro, P

アスパラギン酸Asp, D グルタミン酸

Glu, E

セリンSer, S

チロシンTyr, Y

ヒスチジンHis, H

トリプトファンTrp, W

リジンLys, K

CH2

COO-

H

H3N+ C

COO-

CH2

COO-

H

H3N+ C

OH

CH2

COO-

H

H3N+ C

CH2

COO-

CH2

COO-

H

H3N+ C

CH2

CH2

CH2

NH3+

COO-

CH

CH2

CH2

H2C

H2N+

CH2

COO-

H

H3N+ C

CH

CH

HC

HCC

HC

CH2

COO-

H

H3N+ C

HN

NH+

CH2

COO-

H

H3N+ C

OH

CH2

COO-

H

H3N+ C

HN

３．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

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

参考書と情報リソース

• 細胞の分子生物学(Molecular Biology of the Cell)

• 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. 6. ヒトの遺伝子多型、遺伝病、ヒトの遺伝子多型、遺伝病、

関連解析関連解析

34

遺伝子多型、疾患や表現形個人間の個性について

遺伝子多型

遺伝子機能への影響

個体への影響（表現形、疾患）

他の遺伝子との関係（重複遺伝子など）

環境要因環境要因

DNA

RNA

タンパク質

修飾

他の分子との相互作用...優性、劣性

表現形

２本の染色体

分子レベルでは

遺伝子発現

翻訳

6. 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)

挿入、欠失Insertion and Deletion(Indel)

A <-> TG <-> C

ATCGATCGATC--TCG

ATCGATCGATCGGTCG

6. ヒトの遺伝子多型、遺伝病、関連解析

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

37

突然変異 － 分子レベルでの理解

HbSホモ接合:重篤な貧血ヘテロ接合: マラリアに抵抗性

Sickle haemoglobin

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)

表現形と関係した例鎌形赤血球による貧血

AGT GCA GAA GAA CAAAGT GCT GAA GAA AAA

DNAの複製や修復におけるエラー

6. ヒトの遺伝子多型、遺伝病、関連解析

（分子の名前）

38

塩基置換

同義置換Synonymous (silent)

非同義置換Nonsynonymous

AGT GCT GCA GAA CAAAGT GCT GCT GAA CAAAAT GCT --- GAA CAA

Ser Asn

CAA -> TAAナンセンス置換Nonsense (premature stop codon)

ORFの中では

A

TC

G トランジションTransition

トランスバージョンTransversion

挿入か欠失

終始コドンになる

6. 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

...CAA...

...TAA...

Gln

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

N-1 番目のエクソン最後のエクソンーイントロン境界

50-55bp

ここに起こるストップコドンは、 nonsense-mediated 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。

1番目のエクソン

ストップコドンのエクソン上の位置とnonsense-mediated decay

１塩基置換

6. 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

他に、ミトコンドリアにある遺伝子による遺伝病もある

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

分類

6. ヒトの遺伝子多型、遺伝病、関連解析

41

常染色体上劣性の遺伝病Autosomal Recessive Disorders

•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）

発症 保因者 健常者

男

女

遺伝様式

6. 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

AaAa

AA Aa aA aa

25% 25%50%

男女

6. 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Cystic fibrosis (CF)

1 / 2,000 の割合で乳児に見られる。

ヨーロッパに多い、単一遺伝子に起因する遺伝病

生存期間は、長くて３０年

保因者の割合は、1/22

原因遺伝子

Cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR)

OMIM# 602421Map: 7q31.2Gene: CFTR

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。

6. ヒトの遺伝子多型、遺伝病、関連解析

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

男

女

==

6. ヒトの遺伝子多型、遺伝病、関連解析

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)

6. 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CAGリ

ピートの反復数の増加

6. 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。

• 血友病

• Duchenne 筋ジストロフィー(DMD)

患者 保因者 健常者

男

女

6. 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。

Xq28染色体上の位置

6. 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(Complex diseases) 。

6. 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)

ケース集団

コントロール集団

C/T A/G

ゲノム全体をカバーするSNPについて、

遺伝子型を決定

CC GA TC AACC GG TC AA

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

C/T

感受性のある候補領域

P<0.00000001

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。

対照の疾患の患者集団

健常者の対照集団

旗印のSNP

理研が2002年に最初に成功 6. ヒトの遺伝子多型、遺伝病、関連解析

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

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