生物学

生物学 第10回　突然変異、ちょっと詳しく和田　勝

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

αグロビンの構造 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 Val Leu Ser Pro Ala Asp Lys Thr Asn Val Lys Ala Ala Trp Gly 15 16 Lys Val Gly Ala His Ala Gly Glu Tyr Gly Ala Glu Ala Leu Glu 30 31 Arg Met Phe Leu Ser Phe Pro Thr Thr Lys Thr Tyr Phe Pro His 45 46 Phe Asp Leu Ser His Gly Ser Ala Gln Val Lys Gly His Gly Lys 60 61 Lys Val Ala Asp Ala Leu Thr Asn Ala Val Ala His Val Asp Asp 75 76Met 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 135 136 Leu Thr Ser Lys Tyr Arg

βグロビンの構造 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 Val His Leu Thr Pro Glu Glu Lys Ser Ala Val Thr Ala Leu Trp 15 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 45 46 Gly Asp Leu Ser Thr Pro Asp Ala Val Met Gly Asn Pro Lys Val 60 61 Lys Ala His Gly Lys Lys Val Leu Gly Ala Phe Ser Asp Gly Leu 75 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

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

βグロビンの三次構造

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。

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。

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。

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。

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。

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

イングラムの実験

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。

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

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

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。

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。

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。

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。 1 2 3 4 5 6 7 8ATG/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。

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

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

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。

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。

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。

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。

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

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

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）

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）

影響大きい 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）

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。

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さびしかった僕の庭が明るくなった（以下略）

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

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　

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　いたた

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

自然選択 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

自然選択 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。

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。

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。

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。

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