生物学 第10回　突然変異、ちょっと詳しく 和田　勝.

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1 生物学 第10回　突然変異、ちょっと詳しく 和田　勝

2 突然変異 やっと、突然変異の詳しいお話です。 これまでいくつかの突然変異の例をお話してきました。憶えていますか？
第４回で、「ロマノフ王朝の悲劇」として血友病のお話をしました。赤緑色盲も同じ形式（伴性遺伝）でしたね。

3 突然変異 ポルタトーレであるフェリチアおばあさんの脂肪分解酵素も、その例でした。これは伴性遺伝ではありません。
前回のがんの手術を繰り返したあのナースの例は、p53（がん抑制遺伝子 であり細胞周期の監視役）の突然変異で、DNAが不安定になっている例ですね。

4 突然変異 ついでなので、もう一つ有名な、またこれらの研究の出発点となった突然変異のお話をします。
皆さんは「鎌形赤血貧血」という言葉を聴いたことがありかせんか。英語では、sickle cell anemiaと言います。

5 鎌形赤血球貧血 正常な赤血球は、左の図の左上のような丸くて中央が少しへこんだ形をしています。この袋の中に酸素を運ぶヘモグロビンがたくさん詰まっているのです。 ところが病気の人の赤血球は、真ん中あるような鎌形になってしまいます。

6 鎌形赤血球貧血 この病気の人は、このような赤血球（ヘモグロビン）のために、酸素運搬能力が低下して貧血になるだけでなく、赤血球の柔軟性が失われるために、 微小血管が詰まってしまい、その結果重篤な障害が生じ、死に至ります。

7 鎌形赤血球貧血 家系調査をした結果、この病気は劣性のホモのときに発病する遺伝性の疾患である予想され、さらに詳細な家系調査によって、メンデル型の一遺伝子雑種の遺伝様式で遺伝することが確認されました。

8 ヘモグロビン分子 左図のような立体構造をしていて、酸素分子（O2：青色で示す）を肺で受け取って（oxy）の状態になり、末梢の酸素が必要な場所で酸素を解離して（deoxy）、細胞に酸素分子を供給します。

9 ヘモグロビン分子 ヘモグロビンは、αグロビンとβグロビンが、それぞれ2本ずつ集合した分子です。
αグロビンもβグロビンも、その一次構造（アミノ酸の並び方）、二次構造、立体構造が分かっています。

10 αグロビンの構造 1 Val Leu Ser Pro Ala Asp Lys Thr Asn Val Lys Ala Ala Trp Gly 16 Lys Val Gly Ala His Ala Gly Glu Tyr Gly Ala Glu Ala Leu Glu 31 Arg Met Phe Leu Ser Phe Pro Thr Thr Lys Thr Tyr Phe Pro His 46 Phe Asp Leu Ser His Gly Ser Ala Gln Val Lys Gly His Gly Lys 61 Lys Val Ala Asp Ala Leu Thr Asn Ala Val Ala His Val Asp Asp 76 Met Pro Asn Ala Leu Ser Ala Leu Ser Asp Leu His Ala His Lys 90 91 Leu Arg Val Asp Pro Val Asn Phe Lys Leu Leu Ser His Cys Leu 105 106 Leu Val Thr Leu Ala Ala His Leu Pro Ala Glu Phe Thr Pro Ala 120 121 Val His Ala Ser Leu Asp Lys Phe Leu Ala Ser Val Ser Thr Val 136 Leu Thr Ser Lys Tyr Arg

11 βグロビンの構造 1 Val His Leu Thr Pro Glu Glu Lys Ser Ala Val Thr Ala Leu Trp 16 Gly Lys Val Asn Val Asp Glu Val Gly Gly Glu Ala Leu Gly Arg 30 31 Leu Leu Val Val Tyr Pro Trp Thr Gln Arg Phe Phe Glu Ser Phe 46 Gly Asp Leu Ser Thr Pro Asp Ala Val Met Gly Asn Pro Lys Val 61 Lys Ala His Gly Lys Lys Val Leu Gly Ala Phe Ser Asp Gly Leu 76 Ala His Leu Asp Asn Leu Lys Gly Thr Phe Ala Thr Leu Ser Glu 90 91 Leu His Cys Asp Lys Leu His Val Asp Pro Glu Asn Phe Arg Leu 105 106 Leu Gly Asn Val Leu Val Cys Val Leu Ala His His Phe Gly Lys 120 121 Glu Phe Thr Pro Pro Val Gln Ala Ala Tyr Gln Lys Val Val Ala 135 136 Gly Val Ala Asn Ala Leu Ala His Lys Tyr His

12 βグロビンの二次構造 βグロビンの58から74番目のアミノ酸がαヘリックスを形成
Pro Lys Val Lys Ala His Gly Lys Lys Val Leu Gly Ala Phe Ser Asp Gly

13 βグロビンの三次構造

14 βグロビンの三次構造

15 ヘモグロビン ヘモグロビンはαグロビン２個とβグロビン２個のテトラマー（α2β2） ここに酸素分子が結合する。 4つある。

16 鎌型赤血球貧血 もともとこの病気は、主として西アフリカの原住民に認められる病気でしたが、アメリカへ奴隷としてつれてこられた黒人の子孫にかなりの頻度で見られます（5000人に一人の割合）。 そのため、アメリカでは盛んに研究されました。

17 ポーリングの実験 ポーリングは低酸素のときに赤血球が鎌形になるのはヘモグロビン分子の化学的な性質の違いに起因するに違いないと推測しました。
患者のヘモグロビン分子（HbS）と健常者のヘモグロビン分子（HbA）をゲル電気泳動法で調べました。

18 ポーリングの実験 HbSとHbAの泳動像から、HbSでは２ないし４個、正の電荷を多く持っていると推定しました。

19 分子病 鎌形赤血球という病気の病因が、ヘモグロビン分子のわずかな電荷の違いによるものであることわかりました。
分子の違いによる病気ということで分子病（molecular disease）という言葉ができ、この分野の研究を大いに刺激しました。

20 分子病 イングラムは、ヘモグロビンをトリプシン＊で処理をして、ペプチド断片を得て、これを二次元電気泳動（分子量と電荷）で分離しました。
＊ 塩基性アミノ酸（リジン、アルギニン）のカルボキシル基側のペプチド結合を加水分解するタンパク質分解酵素

21 イングラムの実験

22 イングラムの実験 電荷の違いが、１つのスポットにあることが明らかになります。このスポットの断片を分析して、１～８番目のアミノ酸残基の６番目のアミノ酸が、HbAではグルタミン酸Gluなのに、HbSではバリンValであることを明らかにします。 鎌形赤血球貧血の病因が、わずか1個のアミノ酸の違いに帰着したのです。

23 ＨｂＳだとどうして貧血に？ タンパク質は極性アミノ酸をなるべく表面に、非極性アミノ酸を分子内にしまいこむような構造をとって安定。 βグロビン

24 ＨｂＳだとどうして貧血に？ ６番目のグルタミン酸（極性）がバリン（非極性）に。 右図では白で示してある

25 ＨｂＳだとどうして貧血に？ その結果、水の中では水を避けて、他の疎水性のアミノ酸分子と会合しやすくなってしまいます。

26 ＨｂＳだとどうして貧血に？ 左図のように、繊維状になってしまうのです。

27 ＨｂＳだとどうして貧血に？ こうしてHbS分子は重合して繊維状になり、沈殿を作ってしまうため、赤血球の性質を大きく変えてしまうのです。

28 ＨｂＳの遺伝子 6番目のグルタミン酸がバリンに代わったのは、遺伝子に突然変異がおこったからです。
ATG/GTG/CAC/CTG/ACT/CCT/GAG/GAG/AAG/ Val - His - Leu - Thr - Pro - Glu - Glu - Lys ATG/GTG/CAC/CTG/ACT/CCT/GTG/GAG/AAG/ Val - His - Leu - Thr - Pro - Val - Glu - Lys このような突然変異をミスセンス突然変異という。

29 ＨｂＳの遺伝子 この遺伝子はどこにあるのでしょうか。 体細胞分裂中期の染色体を大きい順に並べて、 ヒト染色体の核型分析

30 染色体の各部の名前 これは体細胞分裂中期の染色体 Ｐ腕 セントロメア（＋キネトコア） Ｑ腕 番地が決まっている

31 ＨｂＳの遺伝子 αグロビンは16ｐ13.3（第16染色体のP腕の13領域の３）、βグロビン遺伝子は11p15.5（第11染色体のP腕の15領域の５）にあります。 ヘモグロビンというタンパク質は、２種類４本のポリペプチド鎖からなり、それぞれのペプチド鎖は、別の遺伝子にコードされていることがわかります。

32 ＨｂＳの遺伝子 鎌型赤血球貧血症患者もしくは保因者では、11番目の染色体の、このβグロビン遺伝子に変異があるのです。
しかも塩基が一つ異なるだけの変異なのです。 発病するのは相同染色体両方に変異がある場合（ホモ）で、片方が正常でヘテロだと保因者となりますが発病は免れます。

33 突然変異 このような突然変異を「遺伝子突然変異」と言います。 遺伝子DNAの塩基が変わってしまったことが原因です。

34 遺伝子突然変異 タンパク質の設計図であるDNAの塩基（ATCG）が変わると、当然アミノ酸が変わり、機能を失う可能性があります。
遺伝子突然変異には、いくつかの種類があります。

35 DNAのコード表 2番目の塩基 T C A G １ 番 目 の 塩 基 Phe Ser Tyr Cys ３ Leu Stop Trp Pro
2番目の塩基 T C A G １ 番 目 の 塩 基 Phe Ser Tyr Cys ３ Leu Stop Trp Pro His Arg Gln Ile Thr Asn Lys Met Val Ala Asp Gly Glu

36 遺伝子突然変異 １）一塩基が変わってしまう場合（置換） ２）一塩基対の挿入あるいは欠失 ３）複数塩基対の挿入あるいは欠失

37 一塩基置換による点突然変異 DNAの塩基ATGCの１つが別のものに置換しておこる点突然変異 １）変わったコドンが指定するアミノ酸
　　は変わらない（silent mutation） ２）変わったコドンは別のアミノ酸を指 　　定するが、機能は変わらない 　　（synonymous mutation）

38 ３）変わったコドンは別のアミノ酸を指 　　定し、アミノ酸は機能を果たさない 　　（missense mutation） ４）変わったコドンが終止コドンになる　 　　（nonsense mutation） タンパク質合成が途中で終わってしまうために影響が大きい

39 一塩基対の挿入・欠失による DNAの塩基配列中に塩基対が挿入あるいは欠失によりおこる突然変異
読み取り枠がずれるため、突然変異が起こった場所以降の意味が変わってしまう（frameshift mutation） 影響大きい

40 何か例をと、、 黒木登志夫さんの本から借用。3問字ずつ区切れる歌詞は少ないそうですが、わずかな例外として、「バラが咲いた」（浜口庫之助作詞・作曲）があるそうです。

41 バラが咲いた バラが咲いた バラが咲いた 真っ赤なバラが さびしかった僕の庭に バラが咲いた たった一つ咲いたバラ 小さなバラで
バラが咲いた　バラが咲いた 真っ赤なバラが さびしかった僕の庭に バラが咲いた たった一つ咲いたバラ 小さなバラで さびしかった僕の庭が 明るくなった （以下略）

42 一塩基置換による点突然変異 ばらが さいた ばらが さいた あかい ばらが さびし かった ぼくの にわに ばらが さいた
ばらが　さいた　ばらが　さいた あかい　ばらが　さびし　かった ぼくの　にわに　ばらが　さいた ばかが　さいた　ばらが　さいた あかい　ばらが　さびし　かった ぼくの　にわに　ばらが　さいた

43 一塩基置換による点突然変異 ばらが さいた ばらが さいた あかい おわり さびし かった ぼくの にわに ばらが さいた
ばらが　さいた　ばらが　さいた あかい　おわり　さびし　かった ぼくの　にわに　ばらが　さいた ばらが　さいた　ばらが　さいた あかい　

44 一塩基欠失による枠のずれ ば が さいた ばらが さいた あかい ばらが さびし かった ぼくの にわに ばらが さいた
ば　が　さいた　ばらが　さいた あかい　ばらが　さびし　かった ぼくの　にわに　ばらが　さいた ばがさ　いたば　らがさ　いたあ かいば　らがさ　びしか　ったぼ くのに　わにば　らがさ　いたた

45 一塩基挿入による枠のずれ ばらがが さいた ばらが さいた あかい ばらが さびし かった ぼくの にわに ばらが さいた
ばらがが　さいた　ばらが　さいた あかい　ばらが　さびし　かった ぼくの　にわに　ばらが　さいた ばらが　がさい　たばら　がさい たあか　いばら　がさび　しかっ たぼく　のにわ　にばら　がさい

46 突然変異と進化 ダーウィンは、次のように考えたのでしたよね。 変異 進化 自然選択
環境の収容力が繁殖力よりも小さいので、環境に適応した個体が子を残せる

47 ？ 突然変異と進化 ダーウィンには、変異の原因は分かりませんでした。 変異 進化 自然選択
それで、もっぱら自然選択による進化の証拠を集め、この矢印がおこることを理論付けました。

48 形質の遺伝 メンデルは、形質が遺伝すること、それは要素（今で言う遺伝子）によって受け渡されていくことを明らかにしました。
つまり前のスライドの「？」の中身を明らかにしたのです。

49 形質の遺伝 これはマリー・アントワネットの肖像画です（1785年、油絵、キャンバス、93.3 x 4.8 cm、個人蔵。ヴィジェ・ルブラン画）。ハプスブルグの Lips and Jawを思い出してください。

50 形質の遺伝 このスケッチは、刑場に引かれるマリーアントワネットを、Jacques-Louis Davidがスケッチしたものです（1793）。下唇がちょっと出ています。

51 Jacques-Louis Davidはこの絵で有名ですよね。

52 この二つの考えの融合 突然変異によって、遺伝子が変化し、それが形質に現れることが明らかになり、この二つは必然的に融合されるのです。
突然変異によって生じた変異のうち、その生物が生息する環境に生きていくのに有利な形質は残っていくという考え方です。

53 遺伝子突然変異 遺伝子突然変異が起こること、すなわちタンパク質の設計図であるDNAの塩基（ATCG）が変わると、当然アミノ酸が変わり、タンパク質の形が変わって性質が変わることがあります。機能を失う場合もあります。 その結果、形質に変化が起こるのです。

54 遺伝子と形質の関係 たとえば種子の形 優性が「丸い種子」で、劣性が「しわになる」です。
しわになるのは、種子中に蓄えられ過ぎた水が失われるからです。

55 遺伝子と形質の関係 種子が形成されるときには、グルコースをつなぎ合わせてでんぷんを作って貯蔵するのですが、このつなぎ合わせる酵素（タンパク質）が劣性では欠陥品になるため、グルコースが余ってしまいます。 そのため、種子中に（浸透圧のため）水が蓄えられ過ぎてしまうのです。

56 遺伝子と形質の関係 劣性形質 優性形質 （エンドウの種子にはしわ） （エンドウの種子にはしわがない） 優性遺伝子 劣性遺伝子 グルコース
酵素 酵素 でんぷん でんぷん

57 遺伝子と形質の関係 劣性形質 （アルビニズムの赤い眼） 優性形質 （黒い眼） DNA DNA変異 チロシン チロシン 酵素 酵素 メラニン

58 遺伝子突然変異 遺伝子DNAは、細胞の核の中にあって、染色体という形を取って複製され、細胞から細胞へ伝えられます （体細胞分裂）。
次の世代へは、減数分裂によって伝えられていきます。

59 個体の一生 あなたは受精卵から出発して必ず死にます。その途中で配偶子を形成し、 次の世代へDNAを伝えます。

60 体細胞と生殖細胞 皆さんの身体を構成している細胞を「体細胞」と呼びます。
これとは別に、生殖器（卵巣と精巣）の中には卵と精子があり、これを「生殖細胞」と呼びます。

61 突然変異がおこるのは 突然変異は、体細胞でおこることも、生殖細胞におこることもあります。
前者を体細胞突然変異（somatic mutation）、後者を生殖細胞突然変異（germline mutation）といいます。

62 突然変異がおこると ●体細胞におこった場合は 癌化につながるが、 次世代に影響を及ぼすことは無い ●生殖細胞におこった場合は
次の世代に伝わる（血友病が例） 他の例も見てみましょう。

63 アルビニズム メラニンが形成されなくなって、髪の毛の色も、眉毛も睫毛の色も、眼の色も白く（赤く）なってしまう病気です。

64 小人症（dwarfism） この絵は、Diego Velazquezが描いた「The Dwarf Sebastian de Morra」という作品で、当時の宮廷にいた小人症の道化です。

65 こちらは言うまでもないですね。右から２番目に同じく小人症の女性が描かれています。

66 小人症（dwarfism） 70％は、軟骨無形成症（Achondroplasia）によると言われています。この病気は、精子か卵が作られる段階で、FGFR3 （fibroblast growth factor receptor 3, 線維芽細胞増殖因子受容体）の遺伝子 (4p16.3)に、突然変異が起こったためだと考えられています。

67 骨の形成 ●膜性骨化 骨膜の未分化細胞が骨芽細胞へ 分化して、直接骨を形成する （頭蓋骨、顎骨の一部など） ●軟骨性骨化
　　（頭蓋骨、顎骨の一部など） ●軟骨性骨化 まず軟骨が形成され、それが骨に 置き換わる 　　（手足の骨）

68 長骨（手足の骨）の形成 緑の部分が軟骨

69 小人症（dwarfism） 軟骨無形成症では、線維芽細胞増殖因子が十分に働かないので、手足の骨の発育が十分でないけれど、頭骨の形成は普通に起こるので、アンバランスな体形になってしまうのです。 Gly380Arg （in 806aa）

70 それでは、突然変異はどうし ておこるのでしょうか

71 突然変異はなぜ起こる ●自然突然変異（natural mutation） DNA複製時の誤り 活性酸素による障害
●誘発突然変異（induced mutation） 紫外線、放射線、化学物質の暴露によるDNAの損傷

72 突然変異はなぜ起こる ●自然突然変異（natural mutation）
DNAの複製過程で、正しくない塩基（正確にはヌクレオチド）を使ってしまうことがおこります。 酸素はある意味で、細胞にとって毒になります。特に細胞の呼吸で発生する活性酸素がDNAに働いて悪さをすることがあります。

73 DNAの複製 この過程で誤りが起こるのです。

74 突然変異はなぜ起こる ●誘発突然変異（induced mutation）
外的な要因で引き起こされる突然変異で、紫外線、放射線、化学物質にさらされることでDNAの損傷が起こるのです。 たとえば、

75 チミンダイマー 紫外線により 塩基が変化して複製の障害になる

76 ベンツピレンがDNAに結合 化学物質がDNAに結合すると、複製の障害となります。

77 遺伝という現象の捉え方 遺伝子型　　　→　　　　表現型 （genotype） 　　　　　　　（phenotype） DNA　　　　　→　　　　タンパク質

78 遺伝子型と表現型の関係 しかしながら、それほど単純では無い 分子A 分子B 分子C 酵素A 酵素B 酵素C 分子D
酵素AからCはタンパク質で、対応する遺伝子があリ、この遺伝子のどれかに突然変異が起こっても、この代謝経路は止まってしまいます。

79 遺伝子型と表現型の関係 前のスライドの例のように、一つの形質の発現には多くのたんぱく質が関与しています。 遺伝子 タンパク質 形質
たとえば花の色（紫かピンクか白か)

80 遺伝子型と表現型の関係 反対に、1つの遺伝子が多くの形質の発現に関与する場合もあります。 形質１ 形質２ 形質３ 形質４ 遺伝子 タンパク質
たとえばアルビニズム（albinism）

81 皮膚と毛髪の色について、 考えてみましょう

82 アルビニズム メラニンが形成されなくなって、髪の毛の色も、眉毛も睫毛の色も、眼の色も白く（赤く）なってしまう病気です。

83 皮膚の構造と黒色素細胞 人の体色は、黒色素細胞（melanocyte）中の黒色素顆粒（melanin granule）に よっています。

84 皮膚の構造と黒色素細胞

85 皮膚の構造と黒色素細胞

86 黒色素細胞 メラニン顆粒が核に紫外線が当たるのを防いでいます

87 毛髪の構造と黒色素細胞 毛根の模式図 黒色素細胞

88 メラニンの代謝 メラニンは、アミノ酸のチロシンから、いくつかのステップを経て合成さます。 Pheo- melanin DOPA
quinone tyrosine DOPA チロシナーゼ チロシナーゼ Eumela-nin TRP1,2

89 アルビニズム チロシナーゼをコードする遺伝子に突然変異が起こると、皮膚の色だけでなく、目の色、髪の毛など、メラニン形成が関係する形質すべてに、影響が現れます。

90 黒色素細胞はどこから 黒色素細胞は、実は発生の初期に神経管ができるときに神経冠（神経堤）という部位が形成され、その細胞が遊走して、体全体に散らばってできるのです。

91 これ以外にも 黒色素芽細胞の移動 黒色素芽細胞の分化 黒色素細胞での黒色素顆粒合成速度 黒色素顆粒の大きさ メラニン合成の速度
黒色素細胞の突起の数 顆粒をケラチン層へ送り込む速度 などの因子（遺伝子）が色素顆粒の形成に関与しています。

92 染色体レベルの突然変異 これまでは遺伝子レベルでの突然変異（塩基の欠失、置換など）でしたが、染色体レベルでの突然変異もあります。
もっと大規模な遺伝子の改変がおこることにつながります。

93 染色体突然変異の種類 切断（breakage） 放射線の影響 欠失（deletion） 重複（duplication）
逆位（inversion） 転座（translocation）

94 染色体突然変異

95 突然変異が起こったら、常に その影響がでてしまうの でしょうか

96 突然変異は修復される 自然突然変異（natural mutation） 複製時の誤り ←修復機構 活性酸素による障害 ←修復機構
誘発突然変異（induced mutation） 紫外線、放射線、化学物質の暴露による ←修復機構

97 複製過程における校正 DNAポリメラーゼは、鋳型鎖の塩基と相補的な塩基を持ったヌクレオチドを取り込んで、合成を進めます。

98 DNAポリメラーゼによる校正

99 この他に修復機構ある DNAポリメラーゼη：チミンダイマーを越 えて合成を進める DNAポリメラーゼκ：損傷乗り越え型
　　　　　　　　　　　　　えて合成を進める DNAポリメラーゼκ：損傷乗り越え型 DNAポリメラーゼβ：切り取り修復 DNAポリメラーゼλ：修復

100 DNAポリメラーゼβ ＤＮＡポリメラーゼβは、誤り部分を切り出して、正しい塩基に置き換えます。

101 DNAポリメラーゼβによる 　　切り取り修復

102 修復に失敗すると 体細胞突然変異 癌化につながるが 次世代に影響を及ぼすことは無い 生殖細胞突然変異 次の世代に伝わる

103 修復されなかった突然変異は 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たが、