遺伝子診断:病気は遺伝によって決まるのか

Report
疾患遺伝子:病気は遺
伝によって決まるのか
神奈川歯科大学 内科学 教授
森實敏夫
Toshio Morizane, MD
ヒトゲノムHuman Genome
DNA二重ラセン
AT
GC
CGAT
AT
TA
 30億塩基対
4つの塩基
A: アデニン
T: チミン
C: シトシン
G: グアニン
 約3-4万の遺伝子
TA
CG
核
水素結合
染色体
遺伝子の転写 Transcription
CCAAT TATAAA
Initiation Codon
ATG
5‘
Cap
Exon
GT
DNA
Intron
Termination Codon
AG
転写Transcription
Exon
TAA
TAG
TGA
3‘
RNA
スプライシング
Splicing
Poly A tail
mRNA
*核内での反応
遺伝子の翻訳 Translation
tRNA
3‘
5‘
mRNA
Ribosome
Peptide
Amino Acid
4つの塩基
A: アデニン
U: ウラシル
C: シトシン
G: グアニン
Termination
Codon:
UAA
UAG
UGA
遺伝コード Genetic Code
2番目
1番目
U
U C A G
3番目
Phe Ser Tyr Cys
U
Phe Ser Tyr Cys
C
Leu Ser Stop Stop A
Leu Ser Stop Trp G
Phe, Phenylalanine; Ser, Serine; Tyr, Tyrosine; Cys, Cysteine; Leu, Leucine
遺伝コード Genetic Code
2番目
1番目
C
U C A
Leu Pro His
Leu Pro His
Leu Pro Gln
Leu Pro Gln
G 3番目
Arg U
Arg C
Arg A
Arg G
Pro, Proline; His, Histidine; Arg, Arginine; Gln, Glutamine
遺伝コード Genetic Code
2番目
1番目
A
U C
Ile Thr
Ile Thr
Ile Thr
Met Thr
A G 3番目
Asn Ser U
Asn Ser C
Lys Arg A
Lys Arg G
Ile, Isoleucine; Thr, Threonine; Asn, Asparagine; Lys, Lysine
遺伝コード Genetic Code
2番目
1番目
G
U
Val
Val
Val
Val
C
Ala
Ala
Ala
Ala
A G 3番目
Asp Gly U
Asp Gly C
Glu Gly A
Glu Gly G
Val, Valine; Ala, Alanine; Glu, Glutamic acid; Gly, Glycine
翻訳後の修飾
 糖鎖などの化学基の付加
– リン酸化
– メチル化
– 水酸化
– アセチル化
– カルボキシル化
– N-グリコシル化(複雑な糖)
– O-グリコシル化(複雑な糖)
 切断
蛋白質の分泌や輸送
 アミノ酸配列に局在指定シグナルがある
 それぞれの場所で細胞を構成し・機能を発
揮する
ミトコンドリア
ゴルジ装置
核
膜透過型
蛋白
小胞
小胞体
分泌
リボゾーム
制限酵素 Endonuclease
 DNAの特定の塩基配列の部位を切断する酵
素
– AluI AGCT
– TaqI
TCGA
– HindIII AAGCTT
– EcoRI
GAATTC
– その他
 抽出されたDNAに作用させるとさまざまな長
さのDNA断片Segmentが出来る
電気泳動 Electrophoresis
 制限酵素で切断したDNA断片をアガロース
ゲルあるいはポリアクリルアミドゲルで電気
泳動するとDNAの長さによって異なる位置に
泳動される
 ゲルからニトロセルロースフィルターに転写し
てハイブリダイゼーションによって特定の配列
をもつDNAを特定することが出来る
ハイブリダイゼーション
Hybridization
 相補的な配列をもつDNAは互いに結合する。
短い合成DNA配列に蛍光色素などのプロー
ブを標識してハイブリダイズさせることによっ
て相補的な遺伝子配列の有無を知ることが
出来る。
ATGCATGCATGC
ATCGAGCTTACGTACGTACGCCGGATTAC
サザンブロットSouthern Blot
 制限酵素処理して電気泳動し
Nitrocellulose MembraneにTransferし
たサンプルにHybridizeさせ、特定の塩基配
列を探る方法
マーカーDNA
プローブDNAとハ
イブリダイズする
DNA断片の大きさ
が分かる
制限酵素処理したサンプル
Polymerase Chain Reaction
(PCR) ポリメラーゼ連鎖反応
mlあたり100分子以下)DNA
断片を増幅して検出することが出来る。
 プライマー Primer DNAを用いて特定の遺
伝子配列の部分を増幅することが出来る。
 抽出したDNAサンプルにプライマーを混合し
てハイブリダイズさせ、DNAポリメラーゼ(合
成酵素)を反応させる→温度を上昇させて反
応を止めてDNAを乖離させる→これを繰り返
す:n回で2nに増える
 極微量の(1
PCR
Primer
3‘
5‘
1分子
Primer
1回目の合成
2分子
2回目の合成
4分子
n回目の合成
2のn乗個
DNA配列決定 DNA Sequencing
 Dideoxyシークエンス法
3‘
Adenineで
反応を止める
5‘
ddATP (didioxy ATP)
dATP
dCTP
dGTP
dTTP* (標識dTTP)
ddATP (didioxy ATP)
ddCTP
ddGTP
ddTTP
T*GCT*A
T*GCT*CGGT*A
T*GCT*CGGT*GGCA
それぞれを別に混合した反応を行うとさまざまな長さの
DNA断片が合成されそれぞれの分子はA,T,G,Cのいず
れかで5‘末端が終了している
Didioxyシークエンス法
 ポリアクリルアミドゲル電気泳動
– DNA鎖の長さで異なる位置にバンドが出る
A
+
-
C
G
T
読み
A
C
G
G
T
G
G
C
T
シークエンス判定
T
G
C
C
A
C
C
G
A
DNA Chips (High Density DNA
Arrays)
•一度に数万個
の遺伝子の発
現を調べること
が出来る。
•変異を検出す
ることが出来る。
•DNA Sequence
を調べることが
出来る。
DNA chips: Sequential changes
in gene expressions in fibroblast
Iyer VR, et al: The Transcriptional Program in the
Response of Human Fibroblasts to Serum. Science
1999;283:83-7.
ヒト疾患遺伝子

Menderian Inheritance in Man(ヒト遺伝子病
のカタログ)
– 13,761のメンデル形質が登録されている(2002.7.5現
在)
– 遺伝子と臨床症状は1対1で対応しない

一般的な疾患
– 環境要因
– 複数の遺伝子の組み合わせが複雑に関与
 Oligogenic
Disorder
 Polygenic Disorder
臨床診断と遺伝子診断
 臨床症状(自覚症状と他覚症状)の出現頻
度が疾患で異なる → 症状の組み合わせ
パターンで診断する。
 疾患に特有の(特異的な)遺伝子の配列が
存在する ?→ 遺伝子の配列によって診断
する。
 いずれも100%の感度・特異度ではない。
突然変異の分類
欠失 Deletion
 挿入 Insertion
 1塩基置換

– ミスセンス突然変異:1個のAAが別のAAに置換
– ナンセンス突然変異:1個のAAが終止コドンになる
– スプライス部位突然変異:スプライシングのシグナルを出
現あるいは消失させる

フレームシフト:欠失、挿入,スプライシングエラーに
より生ずる
機能獲得性突然変異と疾患
疾患
遺伝子
異常
α1 アンチトリプシ
ン欠損症
シャルコー・マリー・
トゥース病
先天性パラミオトニ
ア
骨形成不全
PI
新たな基質の獲得
PMP22
過剰発現
SCN4A
COL 2A1
イオンチャンネルが
不適切に開く
構造異常の多量体
慢性骨髄性白血病
BCR-ABL
キメラ遺伝子
ハンチントン病
HD
未知
機能喪失性突然変異と疾患
疾患
異常
αサラセミア
全遺伝子の欠失
筋ジストロフィー(デシャンヌ型)
一部の遺伝子の欠失
筋ジストロフィー(デシャンヌ型女性) X 染色体転座、逆位
血友病 A
βグロビン突然変異
嚢胞性線維症
F8 遺伝子への LINE-1 繰
り返し配列の挿入
mRNA レベルの低下をも
たらすプロモーターの突
然変異
ΔF508 の突然変異による
遺伝子産物の不適切な細
他
胞内局在
遺伝子量効果と疾患
疾患
遺伝子産物
正常に対する割合
C1 エラスターゼ 50%
阻害物質
50%
マルファン症候 フィブリン
群
無虹彩症
PAX6 タンパク質 50%
血管神経性浮腫
50%
高コレステロー LDL 受容体
ル血症
シャルコー・マ PMP22 ミエリン 150%
リー・トゥース タンパク質
病1A 型
同じ遺伝子の異常が複数の疾患
で認められる
遺伝子 染色体局在 疾患
PAX3 2q35
ワールデンブルグ症候群 1 型
歯槽横紋筋肉腫
CFTR 7q31.2
嚢胞性線維症
両側輸精管欠損
RET
10q11.2
多発性内分泌腺腫症 2A 型
多発性内分泌腺腫症 2B 型
甲状腺髄様癌
ヒルシュスプルング病
AR
Xcen-q22 睾丸女性化症候群
脊髄球筋萎縮症
染色体数の異常

倍数体
– 3倍体(69、XXX,XXY,XYY):全妊娠例の3%、ほとんど死産、生
存率ゼロ

異数体
– 常染色体
 ナリソミー:相同染色体の1対が欠損、着床前に死亡
 モノソミー:1本の染色体が欠如、胚の時期に死亡
 トリソミー:1本の過剰染色体がある、通常胚または胎児期に死
亡:トリソミー21=ダウン症候群、トリソミー18=エドワード症候
群、トリソミー13=Patau症候群
– 性染色体
 XXX,XXY,XYY:比較的問題少ない
 45、X:99%は自然流産、生存者は不妊、知能は平均的
ヒトゲノム計画が完成したあと:
2001年以後
 臨床診断に遺伝子診断が広く導入されるで
あろう。
 感染症の(病原体の)診断にも遺伝子診断が
導入される:病原性,抗菌薬感受性,抗ウイル
ス薬感受性の判定など
 疾患の予防
 遺伝子治療
SNP (single nucleotide polymorphism)ス
ニップ、 1塩基遺伝子多型性
ヒトゲノム30億塩基対の内、99.9%は人類共通
 残り、0.1%、すなわち約300万塩基対は個人個人
によって異なる
 同じ遺伝子の同じ部分を個人個人で比べた場合、1
塩基だけが異なっていることがある
 人口の1%以上で異なっている場合、スニップという
 スニップが疾患感受性と関係している可能性がある

日本のミレニアムプロジェクト

首相官邸 http://www.kantei.go.jp/
– ミレニアム・プロジェクト(新しい千年紀プロジェクト)につ
いて
 ミレニアム・ゲノム・プロジェクト発足会合




ヒトゲノム多様性解析プロジェクト
(説明者:中村祐輔 東京大学教授医科学研究所ヒトゲノ
ム解析センター長)
疾患遺伝子プロジェクト
(説明者:廣橋説雄 国立がんセンター研究所長)
発生・分化・再生プロジェクト
(説明者:西川伸一 京都大学大学院医学研究科教授)
イネゲノム・プロジェクト
(説明者:桂直樹 農林水産省農業生産資源研究所長)

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