What is the Animal Physiology? 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

The BDNF val66met Polymorphism Affects 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 記憶力スコア 　　　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

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。 aagagtgatgaccatccttttccttactatggttatttcatactttggttgcatgaaggctgcccccatg 　　　　　M T I L F L T M V I S Y F G C M K A A P M 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 atg M g (グアニン）が a (アデニン）へ変化 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 記憶力スコア 　　　　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) 塩基配列 (sequence) 遺伝暗号 (codon)　 細胞がタンパク質を作る際の設計図 遺伝子がよみとられタンパク質が つくられること 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 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 生理現象 ゲノム 遺伝子 (gene) DNA 転写(transcription) 発現 (expression) mRNA 翻訳 (translation) タンパク質 (酵素：enzyme) 酵素反応 細胞への 働きかけ 生理現象 素材分子 生体分子

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 遺伝子 ・ １番染色体 ２番染色体 ・ ２２番染色体 常染色体 x 2 性染色体　　X染色体 　　　　　　Ｙ染色体

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

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

ATG 遺伝子の始まりと終わりをしめす暗号 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) CTC AGC GTT ACC AT C TCA GCG TTA CCA T S V T CTC AGC GTT ACC AT 5’ 3’ S A L P C TCA GCG TTA CCA T 5’ 3’ Q R Y H CT CAG CGT TAC CAT 5’ 3’ Open reading flame：オープンなフレームはどれか？

C 5’-AGA TCG ACG TTA AGC-3’ 5’-AGA TCG CAC GTT AAG C-3’ 塩基の挿入(insertion)や欠失(deletion)による 　　　　　　　　　　突然変異 (mutation) R S T L アミノ酸配列 5’-AGA TCG ACG TTA AGC-3’ C シトシンの挿入が起こると R S H V K 5’-AGA TCG CAC GTT AAG C-3’

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 0.1mm 細胞の電子顕微鏡写真 DNAが複製されて いるところ

遺伝子を分離する 電気泳動装置 にセット 寒天を固める 小さい穴が 端にあけてある

孔にDNA溶液を入れる（青い色素をまぜとく）

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

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。 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 ng, ナノグラム kg g mg μg ng pg 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 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

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 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 皮下脂肪型 脂肪細胞

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

「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 標的タンパク質の活性化 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 シクラーゼ 小胞体 Ca2+ ATP 膜結合性 イノシトール リン酸 アデニリル cAMP シクラーゼ 小胞体 Ca2+ 標的タンパク質の活性化

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

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 STATG CD23 GeneX JAM1 IL-1 Rs IL-1 IRS2 IL-2Rs JAM3 一つの遺伝子の発現が 他の遺伝子の発現を促す つぎつぎに発現してゆく （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 　　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