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’ ９４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 G 正常塩基配列がGGCから GTCへ変化 GTC V 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 EL K-1 活性型 m RNA 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 db / db マウス受容体以降のシグナル伝達系の異常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食欲抑制・エネルギー消費増大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