Transcript PowerPoint プレゼンテーション

動物生理学とはなにか
What is the Animal Physiology?
生理学は、医学の主要領域
• ヒトの体の仕組みの研究
構造 ー 解剖学(anatomy)
(structure)
機能 ー 生理学(physiology)
(function)
講義の目的
遺伝子で生理現象を説明する
最新の研究例の紹介
記憶（力）を支配する遺伝子
BDNF (脳神経栄養因子）遺伝子の
個人差（＝変異）と 記憶力の差異
Cell, Vol. 112, 257–269, January 24, 2003
（セル誌 １１２巻 ２００３年１月号 P257-269）
The BDNF val66met Polymorphism Affects
Activity-Dependent Secretion of BDNF
and Human Memory and Hippocampal Function
「BDNF(脳神経栄養因子）の66番目のバリンがメチオニンになっ
ている多型が神経活動に依存するBDNFの分泌やヒトの記憶力、
海馬機能に影響する」
Michael F. Egan, Masami Kojima, Joseph H. Callicott, Terry E.
Goldberg, Bhaskar S. Kolachana, Alessandro Bertolino, Eugene
Zaitsev, Bert Gold, David Goldman,
Michael Dean, Bai Lu, and Daniel R. Weinberger
この論文の骨子
遺伝子のわずかな違いが
神経細胞の成長と維持に働く物質にわずかな
違い（１アミノ酸変異）をもたらし
神経細胞内での分泌に違いが生じる
そして脳の海馬機能に差が生じ、
ヒトのある種の記憶力の違いを説明できる。
BDNF遺伝子の変異とエピソード記憶力への効果
val/val型 val/met型 met/met型
BDNF遺伝子の型
短期記憶力 バリン型 ＞ メチオニン 型
BDNF 遺伝子の暗号
1 gctgccgccg ccgcgcccgg gcgcacccgc ccgctcgctg tcccgcgcac cccgtagcgc
61 ctcgggctcc cgggccggac agaggagcca gcccggtgcg cccctccacc tcctgctcgg
121 ggggctttaa tgagacaccc accgctgctg tggggccggc ggggagcagc accgcgacgg
181 ggaccggggc tgggcgctgg agccagaatc ggaaccacga tgtgactccg ccgccgggga
241 cccgtgaggt ttgtgtggac cccgagttcc accaggtgag aagagtgatg accatccttt
301 tccttactat ggttatttca tactttggtt gcatgaaggc tgcccccatg aaagaagcaa
361 acatccgagg acaaggtggc ttggcctacc caggtgtgcg gacccatggg actctggaga
421 gcgtgaatgg gcccaaggca ggttcaagag gcttgacatc attggctgac actttcgaac
481 acgtgataga agagctgttg gatgaggacc agaaagttcg gcccaatgaa gaaaacaata
541 aggacgcaga cttgtacacg tccagggtga tgctcagtag tcaagtgcct ttggagcctc
601 ctcttctctt tctgctggag gaatacaaaa attacctaga tgctgcaaac atgtccatga
661 gggtccggcg ccactctgac cctgcccgcc gaggggagct gagcgtgtgt gacagtatta
721 gtgagtgggt aacggcggca gacaaaaaga ctgcagtgga catgtcgggc gggacggtca
781 cagtccttga aaaggtccct gtatcaaaag gccaactgaa gcaatacttc tacgagacca
841 agtgcaatcc catgggttac acaaaagaag gctgcagggg catagacaaa aggcattgga
901 actcccagtg ccgaactacc cagtcgtacg tgcgggccct taccatggat agcaaaaaga
961 gaattggctg gcgattcata aggatagaca cttcttgtgt atgtacattg accattaaaa
1021 ggggaagata gtggatttat gttgtataga ttagattata ttgagacaaa aattatctat
1081 ttgtatatat acataacagg gtaaattatt cagttaagaa aaaaataatt ttatgaactg
1141 catgtataaa tgaagtttat acagtacagt ggttctacaa tctatttatt ggacatgtcc
1201 atgaccagaa gggaaacagt catttgcgca caacttaaaa agtctgcatt acattccttg
1261 ataatgttgt ggtttgttgc cgttgccaag aactgaaaac ataaaaagtt aaaaaaaata
1321 ataaattgca tgctgcttta attgtgaatt gataataaac tgtcctcttt cagaaaacag
1381 aaaaaaaaca cacacacaca caacaaaaat ttgaaccaaa acattccgtt tacattttag
1441 acagtaagta tcttcgttct tgttagtact atatctgttt tactgctttt aacttctgat
1501 agcgttggaa ttaaaacaat gtcaaggtga aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaa
推定されるアミノ酸配列
問題のバリン
MTILFLTMVISYFGCMKAAPMKEANIRGQGGLAYPGVRTH
GTLESVNGPKAGSRGLTSLADTFEHVIEELLDEDQKVRPN
EENNKDADLYTSRVMLSSQVPLEPPLLFLLEEYKNYLDAA
NMSMRVRRHSDPARRGELSVCDSISEWVTAADKKTAVDMS
GGTVTVLEKVPVSKGQLKQYFYETKCNPMGYTKEGCRGID
KRHWNSQCRTTQSYVRALTMDSKKRIGWRFIRIDTSCVCT
LTIKRGR
aagagtgatgaccatccttttccttactatggttatttcatactttggttgcatgaaggctgcccccatg
M T I L F L T M V I S Y F G C M K A A PM
aaagaagcaaacatccgaggacaaggtggcttggcctacccaggtgtgcggacccatgggactctggag
K E A N I R G Q G G L A Y P G V R T H G T L E
agcgtgaatgggcccaaggcaggttcaagaggcttgacatcattggctgacactttcgaacacgtgata
S V N G P K A G S R G L T S L A D T F E H V I
g (グアニン）が a (アデニン）へ変化
atg
M
一塩基多型 (ＳＮＰ) シングル・ヌクレオチド（塩基）ポリモルフィズム（多型）
人は２ｎ生物なので、同じ遺伝子は一組２つある。
一つは母親から、一つは父親から遺伝する。
この66番がバリンがメチオニンに変異した遺伝子が存在する。
val/val (優性ホモ） val/met（ヘテロ型） met/met （劣性ホモ）
BDNF遺伝子の変異とエピソード記憶力への効果
BDNF遺伝子の型
val/val型 val/met型 met/met型
バリン型 ＞ メチオニン 型
BDNFが神経細胞内で
作られているかどうか
色を付けて見えるように
すると、
val型に比べてmet型では
神経細胞内での発現が
弱い。細胞の端の方では、
発現していない
この講義のKey Words:
遺伝子 (gene)
細胞がタンパク質を作る際の設計図
遺伝子の発現(gene expression)
遺伝子がよみとられタンパク質が
つくられること
塩基配列 (sequence)
遺伝子がもっている情報の本質
A,T,C,Gの４文字で表される
遺伝暗号 (codon)
3つの塩基の並びかたである一つの
アミノ酸を意味する
生命活動の基本型
遺伝子 (gene) DNA
転写(transcription)
mRNA
発現
(expression)
翻訳 (translation)
ゲノム
タンパク質 (酵素：enzyme)
細胞への
働きかけ
素材分子
酵素反応
生体分子
生理現象
ゲノム(genome)
親から子に伝わる遺伝情報の全体を意味する
半分は母親から、半分は父親から
ゲノム
染色体
常染色体
１番染色体
２番染色体
・
・
２２番染色体
性染色体 X染色体
Ｙ染色体
遺伝子
・
・
・
x2
遺伝子の構造
染色体(chromosome)
細胞分裂中期の像
普段は１本でX型では
ない
5'
3'
Gene 1
5'
3'
ATCGCTTAAATTTAGGCG
ATCGCTTAAATTTAGGCG
TAGCGAATTTAAATCCGC
TAGCGAATTTAAATCCGC
5'
Gene 2
3'
遺伝子の記録方法
5’側
1 actaggcaaa ggacttgtgt caaaatcagg actgaaatac attaatgtgg gtgatttagc
61 tcaagaagtc tgatcatcgt atatcatgga gtctggcaag atggcttctc ccaagagcat
121 gccgaaagat gcacagatga tggcacaaat cctgaaggat ctgggaatta cagaatatga
181 gccaagactt ataaatcaga tgttagagtt tgccttccgt tatgtgacca caattctaga
241 tgatgcaaaa atttactcca gccatgctaa gaaagctacc gttgatgcag atgatgtgca
301 gttggcaatc cagttccacg ctgaccagtc ttttacctct cttcccccaa gagatttttt
361 tattagatat cgcaaggcaa agaaatcaaa ccccttttcc attaatcaag ccatattcag
421 gtcctagatt gccacctgat agatattgct taacagctcc aaattatagg ctgaaatctt
481 tacagaaaaa ggcatcaact tccacgggaa gagtaacagt cccgcagtta agtgttggtt
541 cagttgctag cagaccaagt actcccacac taggcacacc aaccccacag accatgtctg
601 tttcaactaa agtagggact cccgtgtccc tcacagggca aaggtttaca gtacagatgc
661 ctacttcaca gtctccagct gtaaaatctt caattcctgc aacatcagca gttcagaatg
721 ttctgattaa tccatcatta attgggtcca aaagcttctt attaccacta atacggtgtt
781 atcacaaaat actgccaatg aatcatcaaa tgcattgaaa aagcgtgaag aagatgatta
841 tgataatttg taatttagcc ttgctgcatg taacatgtat acttggtctt gaattcattg
901 tactgatact aaacatgcgt gctggatgtt ttcaagttgt attttagaaa act
３’末端側
遺伝子の始まりと終わりをしめす暗号
Gene 1
Gene 2
5'
3'
ATG
TAA, TAG, TGA
mRNA中のAUGを開始tRNAがみつけて
結合する。
mRNA中のUAAあるいはUAGあるいはUGAのところで
リボゾーム遊離因子が結合。翻訳の終了
Open reading flame(ORF)
triplet codon
コドンの３番目の
塩基は置換されても
アミノ酸が代わらない
例が多いことに注意。
(分子進化の中立説)
遺伝情報の読み枠 (flame)
L
5’
S
A
L
R
3’
P
C TCA GCG TTA CCA T
Q
5’
T
CTC AGC GTT ACC AT
S
5’
V
Y
3’
H
CT CAG CGT TAC CAT
3’
Open reading flame：オープンなフレームはどれか？
塩基の挿入(insertion)や欠失(deletion)による
突然変異 (mutation)
R
S
T
L
S
アミノ酸配列
5’-AGA TCG ACG TTA AGC-3’
シトシンの挿入が起こると
C
R
S
H
V
K
5’-AGA TCG CAC GTT AAG C-3’
９
４ー４ ．ras 遺伝子塩基配列の比較と
Rasタンパク質アミノ酸配列の比較
.5'.-AGCG ATG ACG GAA TAT AAG CTG
M
T
E
Y
K
L
6
5
4
1
3
2
GTG GTG GTG GGC GCC GGC GGT ........
G ..........
V
V
V
G
A
G
12
10 11
9
8
7
GGC
GTC
G
V
正常
塩基配列がGGCから GTCへ変化
ガン細胞
乳ガンの遺伝子
BRCA1 遺伝子：BRCAタンパク質は核内に存在、
遺伝子の発現調節
コドン位置
1
11
21
22
塩基変異
ATG > ATT
GTA > GCA
ATC > GTC
TTA > TCA
アミノ酸変異
Met > Ile
Val > Ala
Ile > Val
Leu > Ser
BRCA1の変異を持つと
80%の確率で乳ガンになる危険性
40%の確率で卵巣ガンになる危険性がある
遺伝子は目に見えるか？
ミト
コン
ドリア
核
50mm
細胞の電子顕微鏡写真
0.1mm
DNAが複製されて
いるところ
遺伝子を分離する
寒天を固める
小さい穴が
端にあけてある
電気泳動装置
にセット
孔にDNA溶液を入れる（青い色素をまぜとく）
DNAは負電荷なのでプラス極（左）へ引っ張られる
染色後
UV照射すると光るDNA
DNAシーケンサー
分子生物学の勝利＝肥満遺伝子の発見
1950〜1960年代にかけて確立された常染色体異常マウス
正常マウス
+/+
ob/obマウス
db/dbマウス
過食・肥満・糖尿病・不妊
併体結合実験
(1960年代）
ob/obマウスの正常化
摂食・体重増加抑制因子
が血液中に存在 ?
+/+
ob/ob
+/+
ob/ob
+/+マウスの餓死
db/dbマウスの肥満進行
抑制因子に応答不全 ?
+/+
db/db
+/+
db/db
血液中の抑制因子の検索
精製と同定のこころみ
なぜレプチンが精製できなかったのか？
あとになってわかったこと・・・・
レプチンの血液中濃度 １０〜１００ ng/ml
kg
g
mg
μg
ng
pg
ng, ナノグラム
1,000
1
1/1,000
1/1,000,000
1/1,000,000,000
1/1,000,000,000,000
レプチンを１mg得ようとすると、血液100リットル以上必要
しかも簡単な生理活性測定法が確立されなかった。
肥満遺伝子のクローニング
成功
肥満原因遺伝子の塩基配列解析
遺伝子の異常解明
ヒトにおける同一遺伝子のクローニング
ヒトにおける肥満の解明
マウス肥満遺伝子のクローニングの成功
(Friedmanら 1994)
手法：ポジショナルクローニング
単離遺伝子：ob遺伝子
504塩基対(bp)
167アミノ酸のタンパク質をコード
1 atgtgctgga gacccctgtg tcggttcctg tggctttggt cctatctgtc ttatgttcaa
61 gcagtgccta tccagaaagt ccaggatgac accaaaaccc tcatcaagac cattgtcacc
121 aggatcaatg acatttcaca cacgcagtcg gtatccgcca agcagagggt cactggcttg
181 gacttcattc ctgggcttca ccccattctg agtttgtcca agatggacca gactctggca
241 gtctatcaac aggtcctcac cagcctgcct tcccaaaatg tgctgcagat agccaatgac
301 ctggagaatc tccgagacct cctccatctg ctggccttct ccaagagctg ctccctgcct
361 cagaccagtg gcctgcagaa gccagagagc ctggatggcg tcctggaagc ctcactctac
421 tccacagagg tggtggcttt gagcaggctg cagggctctc tgcaggacat tcttcaacag
481 ttggatgtta gccctgaatg ctga
マウスob遺伝子産物:レプチン
MCWRPLCRFLWLWSYLSYVQAVPIHKVQDDTKTLIKTIVTRINDISHTQS
VSARQRVTGLDFIPGLHPILSLSKMDQTLAVYQQVLTSLPSQNVLQIAHD
LENLRDLLHLLAFSKSCSLPQTRGLQKPESLDGVLEASLYSTEVVALSRL
QGSLQDILQQLDVSPEC
血液中にはN末端側のシグナルペプチドがはずれた
１４６アミノ酸からなるペプチドとして循環
ヒトレプチンとマウスレプチン
８３％の相同性
ob遺伝子の組織特異的発現
Nothern blotting法
肥満者の腹部CTスキャン像
内臓脂肪型
脂肪細胞
皮下脂肪型
脳（視床下部）
空腹感の発生
〜
〜
〜
脳（視床下部）
満腹感の発生
〜
〜
〜
〜
すい臓
レプチン
インスリン
脂肪細胞
内分泌(endocrine)
分泌細胞
標的細胞
血流
ホルモン
シナプス型（sinaptic）
標的細胞
電気インパルス
神経細胞
軸索
神経伝達物質
「情報伝達」はどうやって伝達されるのか
レセプターとリガンド
細胞の分子生物学第１５章参照
細胞表層受容体
シグナル分子
Ｇタンパク質
ホスホ
リパーゼ
膜結合性
アデニリル
ATP
イノシトール
リン酸
cAMP
シクラーゼ
Ca2+
小胞体
標的タンパク質の活性化
標的タンパクがPKCの場合
Ｃ-キナーゼ
イノシトールリン酸
活性型Ｃ-キナーゼ
ATP
ADP
MAPキナーゼ
活性型
ATP
ADP
遺伝子調節タンパク
ELK-1
活性型
mRNA
核膜
食物の摂取
レプチン(leptin)作用のメカニズム
Filterら(1996)
インスリン分泌
脂肪組織中のob 遺伝子の転写
レプチンの生成
血中濃度増加
視床下部レセプターへの結合
レセプターがあいているとＭＣＨ
（メラニン濃縮ホルモン）
ニューロトランスミッター
（ＧＬＰ－１）
グルカゴン様ペプチドー１
視床下部
摂食の停止
摂食
ob遺伝子産物：leptin
db遺伝子産物：leptin receptor
ob-/ob-マウス：ob遺伝子中の点突然変異で
正常なレプチンタンパク質が作れない
低レプチン血症
db-/db-マウス：レプチン受容体遺伝子の変異で
正常なレプチン受容体が作れない
レプチン抵抗性
肥満=白色脂肪細胞の過剰蓄積
レプチン分泌増加
レプチン抵抗性
肥満者の95％=高レプチン血症
5％=低レプチン血症
（ ob /ob マウスと同じ）
血液中レプチン結合タンパク質の異常
脳血液関門の輸送障害
レプチン受容体の異常
受容体以降のシグナル伝達系の異常
食欲抑制・エネルギー消費増大
db /db マウス
レプチンによる飽食シグ
ナルが視床下部につたわ
らない
肥満の亢進
遺伝子が別の遺伝子を制御する：遺伝子のネットワーク
X
遺伝子の転写制御
タンパク質の修飾
立体構造変化
糖鎖の結合
遺伝子のネットワーク＝遺伝子発現調節ネットワーク
IL-1
一つの遺伝子の発現が
他の遺伝子の発現を促す
IL-2Rs
つぎつぎに発現してゆく
IL-1 Rs
JAM3
IRS2
JAM1
GeneX
STATG
CD23
（例：免疫関連遺伝子）
遺伝情報解析の戦略図
遺伝病解明
遺伝子発現
ネットワーク
ガン解明
ゲノム創薬
タンパク質情報
遺伝子発現情報
変異遺伝子情報
ゲノム情報
生理現象は、遺伝子の発現で説明できる
個人差も遺伝子の変異で説明可能
病理現象の多くと違って
たいていの生理現象は、
１つの遺伝子の働きだけでは説明できない
＝ 遺伝子ネットワークを解明する必要がある。
動物への遺伝子導入
hGH 遺伝子
右：ひと成長ホルモン遺伝子を
導入したラット
左：対照ラット
Science 222巻11/18号（1983）
動物生理学
レポート出題
５月６日（火曜日）１７：００まで
提出先 ３号館 動物機能学研究室 牛田
表題「SNP（一塩基多型）の解明の目的」
１．SNPとは何か
２．SNPを、どのようにして知ることができるのか
３．SNP情報が利用できる分野の具体例、将来展望