遺伝子診断:病気は遺伝によって決まるのか
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Transcript 遺伝子診断:病気は遺伝によって決まるのか
疾患遺伝子:病気は遺
伝によって決まるのか
神奈川歯科大学 内科学 教授
森實敏夫
Toshio Morizane, MD
ヒトゲノムHuman Genome
DNA二重ラセン
AT
GC
CGAT
AT
TA
30億塩基対
4つの塩基
A: アデニン
T: チミン
C: シトシン
G: グアニン
約3-4万の遺伝子
TA
CG
核
水素結合
染色体
遺伝子の転写 Transcription
CCAAT TATAAA
Initiation Codon
ATG
5‘
Cap
Exon
GT
DNA
Intron
Termination Codon
AG
転写Transcription
Exon
TAA
TAG
TGA
3‘
RNA
スプライシング
Splicing
Poly A tail
mRNA
*核内での反応
遺伝子の翻訳 Translation
tRNA
3‘
5‘
mRNA
Ribosome
Peptide
Amino Acid
4つの塩基
A: アデニン
U: ウラシル
C: シトシン
G: グアニン
Termination
Codon:
UAA
UAG
UGA
遺伝コード Genetic Code
2番目
1番目
U
U C A G
3番目
Phe Ser Tyr Cys
U
Phe Ser Tyr Cys
C
Leu Ser Stop Stop A
Leu Ser Stop Trp G
Phe, Phenylalanine; Ser, Serine; Tyr, Tyrosine; Cys, Cysteine; Leu, Leucine
遺伝コード Genetic Code
2番目
1番目
C
U C A
Leu Pro His
Leu Pro His
Leu Pro Gln
Leu Pro Gln
G 3番目
Arg U
Arg C
Arg A
Arg G
Pro, Proline; His, Histidine; Arg, Arginine; Gln, Glutamine
遺伝コード Genetic Code
2番目
1番目
A
U C
Ile Thr
Ile Thr
Ile Thr
Met Thr
A G 3番目
Asn Ser U
Asn Ser C
Lys Arg A
Lys Arg G
Ile, Isoleucine; Thr, Threonine; Asn, Asparagine; Lys, Lysine
遺伝コード Genetic Code
2番目
1番目
G
U
Val
Val
Val
Val
C
Ala
Ala
Ala
Ala
A G 3番目
Asp Gly U
Asp Gly C
Glu Gly A
Glu Gly G
Val, Valine; Ala, Alanine; Glu, Glutamic acid; Gly, Glycine
翻訳後の修飾
糖鎖などの化学基の付加
– リン酸化
– メチル化
– 水酸化
– アセチル化
– カルボキシル化
– N-グリコシル化(複雑な糖)
– O-グリコシル化(複雑な糖)
切断
蛋白質の分泌や輸送
アミノ酸配列に局在指定シグナルがある
それぞれの場所で細胞を構成し・機能を発
揮する
ミトコンドリア
ゴルジ装置
核
膜透過型
蛋白
小胞
小胞体
分泌
リボゾーム
制限酵素 Endonuclease
DNAの特定の塩基配列の部位を切断する酵
素
– AluI AGCT
– TaqI
TCGA
– HindIII AAGCTT
– EcoRI
GAATTC
– その他
抽出されたDNAに作用させるとさまざまな長
さのDNA断片Segmentが出来る
電気泳動 Electrophoresis
制限酵素で切断したDNA断片をアガロース
ゲルあるいはポリアクリルアミドゲルで電気
泳動するとDNAの長さによって異なる位置に
泳動される
ゲルからニトロセルロースフィルターに転写し
てハイブリダイゼーションによって特定の配列
をもつDNAを特定することが出来る
ハイブリダイゼーション
Hybridization
相補的な配列をもつDNAは互いに結合す
る。短い合成DNA配列に蛍光色素などのプ
ローブを標識してハイブリダイズさせることに
よって相補的な遺伝子配列の有無を知ること
が出来る。
ATGCATGCATGC
ATCGAGCTTACGTACGTACGCCGGATTAC
サザンブロットSouthern Blot
制限酵素処理して電気泳動し
Nitrocellulose MembraneにTransferし
たサンプルにHybridizeさせ、特定の塩基配
列を探る方法
マーカーDNA
プローブDNAとハ
イブリダイズする
DNA断片の大きさ
が分かる
制限酵素処理したサンプル
Polymerase Chain Reaction
(PCR) ポリメラーゼ連鎖反応
mlあたり100分子以下)DNA
断片を増幅して検出することが出来る。
プライマー Primer DNAを用いて特定の遺
伝子配列の部分を増幅することが出来る。
抽出したDNAサンプルにプライマーを混合し
てハイブリダイズさせ、DNAポリメラーゼ(合
成酵素)を反応させる→温度を上昇させて反
応を止めてDNAを乖離させる→これを繰り返
す:n回で2nに増える
極微量の(1
PCR
Primer
3‘
5‘
1分子
Primer
1回目の合成
2分子
2回目の合成
4分子
n回目の合成
2のn乗個
DNA配列決定 DNA Sequencing
Dideoxyシークエンス法
3‘
Adenineで
反応を止める
5‘
ddATP (didioxy ATP)
dATP
dCTP
dGTP
dTTP* (標識dTTP)
ddATP (didioxy ATP)
ddCTP
ddGTP
ddTTP
T*GCT*A
T*GCT*CGGT*A
T*GCT*CGGT*GGCA
それぞれを別に混合した反応を行うとさまざまな長さの
DNA断片が合成されそれぞれの分子はA,T,G,Cのいず
れかで5‘末端が終了している
Didioxyシークエンス法
ポリアクリルアミドゲル電気泳動
– DNA鎖の長さで異なる位置にバンドが出る
A
+
-
C
G
T
読み
A
C
G
G
T
G
G
C
T
シークエンス判定
T
G
C
C
A
C
C
G
A
DNA Chips (High Density DNA
Arrays)
•一度に数万個
の遺伝子の発
現を調べること
が出来る。
•変異を検出す
ることが出来
る。
•DNA Sequence
を調べることが
出来る。
DNA chips: Sequential changes
in gene expressions in fibroblast
Iyer VR, et al: The Transcriptional Program in the
Response of Human Fibroblasts to Serum. Science
1999;283:83-7.
ヒト疾患遺伝子
Menderian Inheritance in Man(ヒト遺伝子病
のカタログ)
– 13,761のメンデル形質が登録されている(2002.7.5現
在)
– 遺伝子と臨床症状は1対1で対応しない
一般的な疾患
– 環境要因
– 複数の遺伝子の組み合わせが複雑に関与
Oligogenic
Disorder
Polygenic Disorder
臨床診断と遺伝子診断
臨床症状(自覚症状と他覚症状)の出現頻
度が疾患で異なる → 症状の組み合わせ
パターンで診断する。
疾患に特有の(特異的な)遺伝子の配列が
存在する ?→ 遺伝子の配列によって診断
する。
いずれも100%の感度・特異度ではない。
突然変異の分類
欠失 Deletion
挿入 Insertion
1塩基置換
– ミスセンス突然変異:1個のAAが別のAAに置換
– ナンセンス突然変異:1個のAAが終止コドンになる
– スプライス部位突然変異:スプライシングのシグナルを出
現あるいは消失させる
フレームシフト:欠失、挿入,スプライシングエラーに
より生ずる
機能獲得性突然変異と疾患
疾患
遺伝子
異常
α1 アンチトリプシ
ン欠損症
シャルコー・ マリー ・
トゥー ス病
先天性パラミオトニ
ア
骨形成不全
PI
新たな基質の獲得
PMP22
過剰発現
SCN4A
COL 2A1
イオンチャンネルが
不適切に開く
構造異常の多量体
慢性骨髄性白血病
BCR-ABL
キメラ遺伝子
ハンチントン病
HD
未知
機能喪失性突然変異と疾患
疾患
異常
αサラセミア
全遺伝子の欠失
筋ジストロフィー (デシャンヌ型)
一部の遺伝子の欠失
筋ジストロフィー (デシャンヌ型女性) X 染色体転座、逆位
血友病 A
βグロビン突然変異
嚢胞性線維症
F8 遺伝子への LINE-1 繰
り返し配列の挿入
mRNA レベルの低下をも
たらすプロモー ター の突
然変異
ΔF508 の突然変異による
遺伝子産物の不適切な細
胞内局在
他
遺伝子量効果と疾患
疾患
遺伝子産物
正常に対する割合
C1 エラスター ゼ 50%
阻害物質
50%
マ ル フ ァ ン 症 候 フィブリン
群
無虹彩症
PAX6 タンパク質 50%
血管神経性浮腫
50%
高 コ レ ス テ ロ ー LDL 受容体
ル血症
シ ャ ル コ ー ・ マ PMP22 ミエリン 150%
リ ー ・ ト ゥ ー ス タンパク質
病1A 型
同じ遺伝子の異常が複数の疾患
で認められる
遺伝子
染色体局在 疾患
PAX3
2q35
CFTR
7q31.2
RET
10q11.2
AR
Xcen-q22
ワー ルデンブルグ症候群 1 型
歯槽横紋筋肉腫
嚢胞性線維症
両側輸精管欠損
多発性内分泌腺腫症 2A 型
多発性内分泌腺腫症 2B 型
甲状腺髄様癌
ヒルシュスプルング病
睾丸女性化症候群
脊髄球筋萎縮症
染色体数の異常
倍数体
– 3倍体(69、XXX,XXY,XYY):全妊娠例の3%、ほとんど死産、生
存率ゼロ
異数体
– 常染色体
ナリソミー:相同染色体の1対が欠損、着床前に死亡
モノソミー:1本の染色体が欠如、胚の時期に死亡
トリソミー:1本の過剰染色体がある、通常胚または胎児期に死
亡:トリソミー21=ダウン症候群、トリソミー18=エドワード症候
群、トリソミー13=Patau症候群
– 性染色体
XXX,XXY,XYY:比較的問題少ない
45、X:99%は自然流産、生存者は不妊、知能は平均的
ヒトゲノム計画が完成したあと:
2001年以後
臨床診断に遺伝子診断が広く導入されるで
あろう。
感染症の(病原体の)診断にも遺伝子診断が
導入される:病原性,抗菌薬感受性,抗ウイル
ス薬感受性の判定など
疾患の予防
遺伝子治療
SNP (single nucleotide polymorphism)ス
ニップ、 1塩基遺伝子多型性
ヒトゲノム30億塩基対の内、99.9%は人類共通
残り、0.1%、すなわち約300万塩基対は個人個人
によって異なる
同じ遺伝子の同じ部分を個人個人で比べた場合、1
塩基だけが異なっていることがある
人口の1%以上で異なっている場合、スニップという
スニップが疾患感受性と関係している可能性がある
日本のミレニアムプロジェクト
首相官邸 http://www.kantei.go.jp/
– ミレニアム・プロジェクト(新しい千年紀プロジェクト)につ
いて
ミレニアム・ゲノム・プロジェクト発足会合
ヒトゲノム多様性解析プロジェクト
(説明者:中村祐輔 東京大学教授医科学研究所ヒトゲノ
ム解析センター長)
疾患遺伝子プロジェクト
(説明者:廣橋説雄 国立がんセンター研究所長)
発生・分化・再生プロジェクト
(説明者:西川伸一 京都大学大学院医学研究科教授)
イネゲノム・プロジェクト
(説明者:桂直樹 農林水産省農業生産資源研究所長)