生物学 第20回　生物多様性を考える 和田　勝.

Presentation on theme: "生物学 第20回　生物多様性を考える 和田　勝."— Presentation transcript:

1 生物学 第20回　生物多様性を考える 和田　勝

2 お酒に強い あなたは、お酒に強いですか？ お酒に強いってどういうことでしょうか。体質？訓練？
お酒に酔うのはアルコール（エタノールC2H5OH）の脳に対する作用です。 エタノールは肝臓でアセトアルデヒドに代謝され、次いで酢酸になり、最後は水と任酸化炭素になります。

3 お酒に強い アセトアルデヒドは毒性が強く、頭痛や吐き気の原因となります（二日酔い）。
このアセトアルデヒドの代謝を行っている酵素がアセトアルデヒドデヒドロゲナーゼ（ALDH）です（肝臓で）。 エタノール　→　アセトアルデヒド　→　酢酸　→　二酸化 　　　　　　　　↑　　　　　　　　　　　　　↑　　　　　　　炭素と水 　　　　　　アルコール　　　　アセトアルデヒド　　 　　　　　　脱水素酵素　　　　脱水素酵素

4 お酒に強い ALDHは酵素タンパク質ですから、当然遺伝子があります。
ALDHをコードする遺伝子は12番目の染色体の長腕（12q24.12）にあり、翻訳されると517個のアミノ酸からなるタンパク質がつくられます。

5 お酒に強い この酵素タンパク質の487番目のアミノ酸はグルタミン酸、コドンはGAAです。
先頭のGが突然変異を起こしてAになるとコドンはAAAとなり、リシンを意味し、その結果、タンパク質は酵素活性を失ってしまいます。

6 お酒に強い したがって、相同染色体の遺伝子の組み合わせがAAA/AAAだとお酒は受け付けない、GAA/AAAだとお酒に弱いことになります。もちろん、GAA/GAAだとお酒に強くなります。 コーカソイドとネグロイドはすべてGAA/GAAですが、モンゴロイドではおよそ45％がGAA/AAA、5％がAAA/AAAです。

7 お酒に強い したがって、相同染色体の遺伝子の組み合わせがAAA/AAAだとお酒は受け付けない、GAA/AAAだとお酒に弱いことになります。もちろん、GAA/GAAだとお酒に強くなります。 コーカソイドとネグロイドはすべてGAA/GAAですが、モンゴロイドではおよそ45％がGAA/AAA、5％がAAA/AAAです。

8 お酒に強い 民族による遺伝子頻度の違い

9 お酒に強い GAA/GAAを持つ日本人の地域差。 縄文人集団に弥生人集団が入り込んだことを示しているのだろう。

10 牛乳飲んでもゴロゴロしない 牛乳をがぶ飲みすると、おなかがゴロゴロする人はいますか？
牛乳中のラクトース（乳糖）という二糖類を分解する酵素ラクターゼ（小腸へ分泌される）が十分でないためです。 ラクトース　→　グルコース＋ガラクトース　→　小腸で 　　　　　　　 ↑　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　吸収 　　　　　ラクターゼ　　　　

11 牛乳飲んでもゴロゴロしない 分解されないラクトースは小腸で吸収されずに大腸へたどり着き、そこで大腸内の浸透圧を上げてしまうために下痢が起こり、ラクトースを分解できる細菌が大腸内にいるために代謝されてガスが発生します。こうしておなかがゴロゴロするのです。

12 牛乳飲んでもゴロゴロしない 乳児の時は、ラクトースは栄養源として重要なので、誰でもラクターゼは作られていますが、ふつうは成長に伴って次第に発現量が減っていきます。そのため成人になると、ラクトースを分解する能力は低下して、適量の牛乳を飲む分には影響がないのですが、たくさん飲むとおなかがゴロゴロするのです。

13 牛乳飲んでもゴロゴロしない ところがヨーロッパ人はいくら飲んでも平気です。これは大人になってもラクターゼの発現が減少しないためで、人種による差があることになります。これも一種の体質であすね。

14 牛乳飲んでもゴロゴロしない ラクターゼの発現量が維持されるのは、ラクターゼをコードする遺伝子が変異したのではなく、ラクターゼ遺伝子の上流にある転写調節に関与する遺伝子の突然変異によります。 2つの遺伝子は2番染色体の長腕にあり（2q21.3）、上流の遺伝子の変異によって下流にあるラクターゼの発現が維持されるのです。

15 牛乳飲んでもゴロゴロしない ヒトの歴史の中で、牧畜によって家畜の乳を利用できるようになってから、この遺伝子に突然変異がおこり、有利な突然変異として個体群内に広がっていったと考えられます。そのため、ヨーロッパ人では95％の人がこの変異を持っているが、東アジア人は10％です。 この遺伝子の変異も一塩基置換です。

16 牛乳飲んでもゴロゴロしない 乳糖不耐性の地域・民族による違い

17 コーカソイドはなぜ肌が白い？ 以前にアルビニズムの話をしました。皮膚の上皮組織の底にある黒色素細胞がメラニン顆粒を作っていて、その量等によって皮膚の色を決めています。

18 コーカソイドはなぜ肌が白い？ 紫外線の害を防ぐためには、メラニン顆粒の生成は必要なことでした。少なくともアフリカでは。
しかしながら、紫外線はビタミンDの生成に欠かすことはできません。アフリカから出て、北へ分布を広げた現生人類の祖先にとっては日光の量が少ないために、黒い皮膚ではビタミンDの必要量を精製するこてゃできませんでした。

19 コーカソイドはなぜ肌が白い？ そのため、メラニン形成が低い個体群が有利だったと考えられます。
少なくとも、メラニン生成に関与する、2つの遺伝子に突然変異が起こったと考えられています。

20 コーカソイドはなぜ肌が白い？ そのうちのひとつの頻度を示す。黒は正常、白は一塩基変異によるミスセンス突然変異

21 アトピーは嫌だ アトピー性の体質を持った人はいますか？
茶のしずく石鹸による小麦アレルギーが最近、話題になりました。石鹸に含ませた小麦タンパク質の加水分解物がアレルゲンになり、あとで食物から摂取した小麦タンパク質によってアレルギー反応が生じたのです。

22 アトピーは嫌だ この石鹸を使ったすべての人に、このアレルギーが発生したわけではありません。
どうやら一部の人で、石鹸を使うことにより小麦タンパク質の加水分解物が皮膚から入って、抗原として認識されて抗体がつくられたようです。

23 アトピーは嫌だ アトピー性皮膚炎の場合も、皮膚からアレルゲンが体内に入るためらしいことが、わかってきました。
最近の研究によって、皮膚がバリアーとしてとても重要なはたらきをしていることが分かってきました。

24 アトピーは嫌だ

25 アトピーは嫌だ アトピー性皮膚炎のヒトは、このフィラグリンというタンパク質の遺伝子に突然変異を起こしていることが分かったのです。
そのため、表皮のケラチン細胞ではケラチン繊維の束がじゅうぶんつくられず、保水性が退化するので乾燥してはがれやすくなってしまい、アレルゲンが侵入しやすくなるのです。

26 再び突然変異 ＤＮＡは複製の過程の誤りを正し、損傷を修復して、DNAを次の世代に伝えてきました。

27 変異は一定の割合で、、 DNAの塩基配列を比較することにより、DNAの塩基の変異は一定の割合で起こっていることがわかっています。
生殖細胞の複製の過程で起こるミスマッチが訂正されなかったり、突然変異が起こったのでしょう。

28 変異の固定 ダーウィンは遺伝の実体も遺伝子の存在も知らなかったが、この変異がどのように世代から世代に伝えられていくかを示しました。
ある変異が、生息している環境に適応していれば子孫を残せる（自然選択）という考え方です。すなわち、、

29 自然選択により変異が伝わる １）生物の集団に変異（variations）が 存在すること ２）変異は親から子に伝わること
　存在すること ２）変異は親から子に伝わること ３）環境の収容力が繁殖力よりも小さ 　いこと ４）その環境のもとでは、変異に応じて 　次世代に子を残す期待値に差が生 　じること

30 変異の固定 個体群が、何らかの理由で分かれて、両者の個体間で自由な交配ができなくなる（隔離）。
環境に適応した変異が個体群の中で広がっていく。 元の個体群とは異なる表現型を持った種ができる（種分化）。

31 個体群内の変異 肌の色が3つの遺伝子によって決まると仮定すると

32 個体群内の変異 ヒトの場合、背の高さ、体重、皮膚や髪の毛の色など複数の遺伝子がかかわります。

33 変異、自然選択、進化 ○変異はDNAのレベルで起こる ○自然選択は個体のレベルで起こる。 決して遺伝子のレベルでは起こらない
　決して遺伝子のレベルでは起こらない ○進化は個体群で起こる。決して個体 　のレベルでは起こらない

34 集団遺伝学 そこで個体群(集団、population）を対象とした、集団遺伝学の考えが重要になります。 集団遺伝学では、次のように考えます。

35 集団遺伝学 ○個体群を構成している各個体は、す べての遺伝子座について、全く同一な 対立遺伝子（allele）を持つのではない
　べての遺伝子座について、全く同一な 　対立遺伝子（allele）を持つのではない ○個体群を構成する各個体の持ってい 　るすべての遺伝子座の対立遺伝子を 　合わせたものを、その個体群の遺伝 　子プール（gene pool）と呼ぶ

36 ○遺伝子プール内の変異は、それぞれ 　の遺伝子座に対応する対立遺伝子の 　相対的な比率で表すことができる ○これを、対立遺伝子頻度あるいは単 　に遺伝子頻度（gene frequency）と呼ん 　でいる。 この遺伝子頻度を取り扱うのが集団遺伝学です。

37 ハｰディ－・ワインベルグの法則 「一定の理想的な状況のもとでは、有性生殖をおこなう集団における対立遺伝子の頻度は、一世代で一定となり、その後、世代を越えて一定に保たれる。また、遺伝子型の頻度は、この遺伝子型を構成する遺伝子の頻度の積で表すことができる。」 1908年に標記2人が独立に発見しました。

38 成立の条件 １）新しい対立遺伝子が生じない ２）離脱・流入個体がなく、新しい対立遺 伝子が入ることも、出て行くこともない
　伝子が入ることも、出て行くこともない ３）個体群は十分大きく、頻度の有意な 　変化が偶然におこることはない ４）すべての個体が繁殖可能になるまで 　生き残って同等に繁殖する ５）有性生殖によってランダムに混ぜ合 　わせられる

39 具体的に ある個体群の遺伝子プールが次のような対立遺伝子を持つとすると、 A と a 遺伝子型は AA、Aa、aa となります。

40 具体的に それぞれの遺伝子型を持つ個体が同数いるとすると、 AA＝Aa＝aa＝0.3333 したがってAとaの頻度は A＝a＝0.5
これが親の代。それではF1は？

41 組み合わせは9通り AA ｘ AA AA ｘ Aa AA ｘ aa Aa ｘ AA Aa ｘ Aa Aa ｘ aa aa ｘ AA

42 F1世代は？ AAｘ AA AAｘ Aa AAｘ aa Aa ｘ AA Aa ｘ Aa Aa ｘ aa aa ｘ AA aa ｘ Aa
雄の配偶子 A AA 雌の配偶子

43 F1世代は？ AAｘ AA AAｘ Aa AAｘ aa Aa ｘ AA Aa ｘ Aa Aa ｘ aa aa ｘ AA aa ｘ Aa

44 F1世代は？ 4 ｘ AA 2 ｘ AA 2 ｘ AA 4 ｘ Aa 2 ｘ AA 2 ｘ Aa 1 ｘ AA 2 ｘ Aa 1 ｘ aa
合計 9 ｘ AA 18 ｘ Aa 9 ｘ aa

45 F1世代は？ 遺伝子型の比は AA：Aa：aa＝9：18：9＝1：2：1 表現型の比は （AA＋Aa）：aa＝3：1

46 F2世代は？ AAｘ AA Aa ｘ AA AAｘ Aa Aa ｘ Aa AAｘ Aa Aa ｘ Aa AAｘ aa Aa ｘ aa
の16通りの組み合わせ

47 F2世代は？ AA Aa aa AAｘ AA 4 AAｘ Aa 2 2 2 2 AAｘ aa 4 Aa ｘ AA Aa ｘ Aa 1 2 1
4　 　　 4

48 F2世代は？ 合計 16 ｘ AA 32 ｘ Aa 16 ｘ aa 遺伝子型の比は AA：Aa：aa＝16：32：16＝1：2：1
表現型の比は （AA＋Aa）：aa＝3：1 遺伝子頻度はA＝16ｘ2＋16、 a＝16＋16ｘ2でともに48で頻度は0.5

49 ハｰディ－・ワインベルグの法則 「一定の理想的な状況のもとでは、有性生殖をおこなう集団における対立遺伝子の頻度は、一世代で一定となり、その後、世代を越えて一定に保たれる。」 「また、遺伝子型の頻度は、この遺伝子型を構成する遺伝子の頻度の積で表すことができる。」

50 ハｰディ－・ワインベルグの法則 0.25 0.5 （AA+2Aa）:aa＝0.75：0.25 となる。

51 法則の一般化 対立遺伝子の頻度を文字を使って表して、対立遺伝子のAの頻度をp、aの頻度をqとする。 当然、p＋q＝1

52 法則の一般化 (p+q)2＝p2+2pq+q2 (pA+qa)2＝p2AA+2pqAa+q2aa p2 pq q2 (A) p (a) q

53 法則の応用 ハーディー・ワインベルグの平衡状態にある個体群では、対立遺伝子の頻度から遺伝子型の頻度を計算できます。
たとえば、A(p)を0.60、a(q)を0.4としてみましょう。 AAの頻度＝p2 = (0.60)2 = 0.36 aaの頻度＝q2 = (0.40)2 = 0.16 Aaの頻度＝2pq＝2x(0.60)x(0.40)＝0.48

54 法則の応用 上に述べた対立遺伝子の頻度を持った500頭の個体群がいたとすると、それぞれの遺伝子型をもった個体の数は次のように計算できます。
AAの個体数＝0.36x500＝180 Aaの個体数 ＝0.48x500＝240 aaの個体数 ＝0.16x500＝ 80

55 法則の応用 逆に遺伝子型の頻度がわかれば、遺伝子頻度が計算できます。 集団遺伝学では、このハーディー・ワインベルグの法則を出発点とします。
日本人全体を一つの近似的に理想的な個体群とみなして、遺伝子頻度の計算に数学的な取り扱いを適用します。このような集団をメンデル集団と呼びます。

56 複対立への法則の拡張 ABO式血液型 糖鎖の違いである

57 ABO式血液型 －・・・－Gal-GlcNAc-Gal（ABO抗原の前駆糖鎖） －・・・－Gal-GlcNAc-Gal（H（O）型糖鎖）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　｜ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　Fuc アセチルガラクトサミン 転移酵素（酵素A） ガラクトコース 転移酵素（酵素B） Gal-GlcNAc-Gal-GalNAc（A型糖鎖） 　　　　　　　　　　　　｜ 　　　　　　　　　　　Fuc Gal-GlcNAc-Gal-Gal（B型糖鎖） 　　　　　　　　　　　　｜ 　　　　　　　　　　　Fuc

58 ABO式血液型 この３種の酵素を遺伝子がコードしている。 A型 B型 AB型 O型 IAIA, IAi "H", "A" A, H
遺伝子型 酵素 赤血球 表面糖鎖 血清中の 抗体 A型 IAIA, IAi "H", "A" A, H anti-B B型 IBIB, IBi "H", "B" B, H anti-A AB型 IAIB "H", "A", "B" A, B, H なし O型 ii "H" H anti-A, anti-B

59 ABO式血液型 AとBの間には優劣関係がなく、AとBはOに対して優性である。 ABO遺伝子は、第９染色体上にある
（9q34）。A遺伝子はA酵素を、B遺伝子はB酵素をコードしている。354アミノ酸。 O遺伝子は、A遺伝子の88番目のコドンのG 塩基が欠失しフレームシフトが起こり11７個のアミノ酸、酵素活性ない。

60 法則の拡張 (pA+qB+rO)2＝ p2AA+2prAO+ q2BB+2qrBO+ 表現型A 2pqAB+ r2OO 表現型B 表現型AB

61 具体例 日本人の献血者の全国資料によると、A型は1,725,950人、B型は988,996人、AB型は444,979人、O型は1,305,924人 （合計4,465,349人） A型 ＝ （p2＋2pr） B型 ＝ （q2＋2qr） AB型＝ （2pq） O型 ＝ （r2）

62 具体例 ここからrはすぐに求められます。 r2 ＝ なのだから r ＝SQRT（ ） 　＝

63 具体例 pとqはチョット工夫をして q ＝1－（p＋r）＝1－SQRT（(p＋r)2） ＝1－SQRT（p2＋2pr＋r2）
　＝ p ＝1－（q＋r）＝1－SQRT（(q＋r)2） 　＝1－SQRT（q2＋2qr＋r2） 　＝1－SQRT（ ＋ ） 　＝

64 具体例 したがって、日本人というメンデル集団のABO式血液型を支配する遺伝子A
（IA）、B（IB）、O（i）の頻度は、それぞれ 0.283、0.176、0.541となります。 この遺伝子頻度は、民族によってそれぞれ異なっています。

65 集団遺伝学 集団遺伝学では、遺伝子型頻度でなく遺伝子頻度を基本の数量とします。
これは、遺伝子頻度のほうが不連続性がない、集団の中の遺伝子頻度は変化しにくいので数量化モデルをあてはめやすい、ためです。 集団遺伝学は、交配実験が行なえない集団に対して有効です。

66 実際には ハーディー・ワインベルグの法則が成り立つのは、5つの条件を備えた、理想的な個体群においてでした。
しかし、実際にはこのような個体群はありえません。 突然変異によって新たな対立遺伝子が生じ、個体群間の個体の移動によって遺伝子の流入や離脱が起こります。

67 実際には また、すべての個体が繁殖に参加できるとは限らないし、個体群の大きさによっては、偶然的は変動が起こることがあります。
すなわち、遺伝子頻度に変化が起こるのです。 これは、進化が起こるということです。

68 進化は １）新しい対立遺伝子が生じない 突然変異（mutation） ２）離脱・流入個体がなく、新しい対立遺
　　伝子が入ることも、出て行くこともない 遺伝子流（gene flow） ３）個体群は十分大きく、頻度の有意な 　　変化が偶然におこることはない 遺伝的浮動（genetic drift） ４）すべての個体が繁殖可能になるまで 　　生き残って同等に繁殖する 自然選択（natural selection） ５）有性生殖によってランダムに混ぜ合 　 わせられる 非ランダム交配（non-random mating）

69 進化は 「進化」を集団遺伝学の立場から見るとこれらの５つの要因が、単独あるいは複合して個体群にはたらき、遺伝子頻度に変更を加えることだと定義することができます。

70 遺伝子頻度変化の要因は 新しい対立遺伝子が生じるのは 突然変異、遺伝子流 遺伝子が世代を受け渡されるとき変更が生じるのは
自然選択、遺伝子浮動非ランダム交配

71 再びダーウィンフィンチ ずっと以前にスライドで見せたダーウィンフィンチを使って行ったGrant夫妻の実験を思い出してください。
本土から飛来したフィンチの祖先種がガラパゴス諸島の環境に適応して、いくつかの種に分化しました。

72 ダーウィンフィンチ ガラパゴス諸島に生息するダーウィンフィンチは14種類いて、姿かたちは似ているが、嘴の形が異なります。これは食性を反映していると考えられています。

73 変異の存在

74 この変異は遺伝する

75 環境の収容力＜繁殖力 エルニーニョ現象による旱魃によって、種子を付ける植物に変化が起きた（乾燥に強い果皮の厚い植物が残る）。

76 環境に適合したものが子を残せる 嘴の高いものが生き残っていることがわかります。

77 両年を比較すると 1978年 1976年

78 嘴の大きさを支配する遺伝子 現在では、嘴の大きさを支配する遺伝子があることがわかっています。
BMP4（bone morphogenetic protein、骨形成タンパク質）が嘴の大きさに関与しているようです。 したがって、このタンパク質をコードする遺伝子の発現量の違いが嘴の大きさを決めている可能性が大です。

79 嘴の大きさを支配する遺伝子 Science, 305, (2004)より

80 遺伝子頻度の変化 それぞれのグループで、BMP4をコードする遺伝子、あるいはその遺伝子の発現を調節する遺伝子の頻度が、異なる方向に向かい（自然選択と遺伝子浮動によって）、その結果、個体群の中で遺伝子頻度が異なるように固定されたと考えることができます。

81 変異、自然選択、進化 ○変異はDNAのレベルで起こる 変異には方向性はない ○自然選択は個体のレベルで起こる。
　　　変異には方向性はない ○自然選択は個体のレベルで起こる。 　決して遺伝子のレベルでは起こらない 　　　変異をもった個体に選択圧がかかる ○進化は個体群で起こる。決して個体 　のレベルでは起こらない 　　　その結果、個体群に適応による方向付けが 　　　　生じる