生命科学入門 第12回 PDF

2024/12/18 ⽣命科学⼊⾨ 第12回 前回のまとめ タンパク質の構造 20種類のアミノ酸がペプチド結合で連結してタンパク質を構成する アミノ酸に共通する部分を主鎖、固有の部分を側鎖と呼ぶ ⼀次構造：アミノ酸が連結して形成されるアミノ酸の配列 ⼆次構造：タンパク質共通の折り畳み基本構造 （α-ヘリックス...

2024/12/18 ⽣命科学⼊⾨ 第12回 前回のまとめ タンパク質の構造 20種類のアミノ酸がペプチド結合で連結してタンパク質を構成する アミノ酸に共通する部分を主鎖、固有の部分を側鎖と呼ぶ ⼀次構造：アミノ酸が連結して形成されるアミノ酸の配列 ⼆次構造：タンパク質共通の折り畳み基本構造 （α-ヘリックスとβ-シート） 三次構造：⼆次構造が組み合わさったタンパク質の⽴体構造 四次構造：三次構造を取るタンパク質同⼠が集まった構造 ⽔素結合やイオン結合、ジスルフィド結合などによってタンパク質の ⽴体構造が形成される タンパク質は様々な機能を持つ 酵素：細胞内外の特定の反応を触媒するタンパク質 膜タンパク質：膜に局在して物質輸送やセンサーとして働く 構造タンパク質：細胞や組織の機械的な⽀持体として機能する 1  2024/12/18 アミノ酸側鎖の特徴 システイン 酸性側鎖 アスパラギン酸 グルタミン酸 ジスルフィド結合 塩基性側鎖 リシン アルギニン ヒスチジン タンパク質の⽴体構造を決める⾮共有結合 ① イオン結合 ② ⽔素結合 ③ ファンデルワールス⼒ イオン結合 ⽔素結合 Essential cell biology 2  2024/12/18 タンパク質の⼆次構造 ⼆次構造 タンパク質共通の折り畳み基本構造 α-ヘリックス β-シート 近くの（４アミノ酸）主鎖間で⽔素結合 離れた主鎖間で⽔素結合 共輸送体とポンプ 例）Na+/アミノ酸共輸送体 例）Ca2+ポンプ 上⽪細胞 Ca2+ 筋⼩胞体側 Ca2+の働きで 上⽪細胞側 繋がる アクチン 管腔側 グルタミン酸 ミオシン 3  2024/12/18 遺伝⼦とゲノムの進化 進化とは？ ある種の⼦孫にその種と遺伝⼦が異なる新しい種が現れること 集団の中に特徴の異なる個体が⽣まれる （特徴の違いは遺伝⼦の違いに起因する） その特徴の違いによって⽣存率や繁殖率が変化する 退化も進化に含まれる ベッコウヒラタシデムシ（⾶べる）と ホソヒラタシデムシ（⾶べない） 4  2024/12/18 進化の原動⼒は「遺伝⼦変異」と「⾃然淘汰」 ポルトガルのマデイラ島に住む甲⾍500種のうち 200種は⾶べない 元々は⾶べる種がもっと多かった 遺伝⼦変異によって⾶べない種が⽣まれる マデイラ島は⾵が強く⾶べる種は海に頻繁に落下 ⾶べない種の⽅が⽣存競争に有利 ⾶べない種が増える ダーウィンが「種の起源」の中で進化の理論を提唱 （1859年 DNAが発⾒される10年前 ⽇本では安政の⼤獄で吉⽥松陰が処刑） 遺伝⼦の変異はどうやって⼊る？ ① DNAの損傷に起因するエラー ② 単純なDNAの複製エラー DNA中のウラシルは チミンとして認識 →Aが相補鎖に配置される UV ピリミジンダイマーは シトシン シトシン ピリミジンダイマー 誤って複製される 5  2024/12/18 影響の⼩さい変異と⼤きい変異（遺伝⼦内） 5’ A U G A U C C U G A A G G A G U A C 3’ M I C K E Y 5’ A U G A U C C U G A A G G A A U A C 3’ サイレント変異 M I C K E Y 5’ A U G A U C C U G A A G G C G U A C 3’ ミスセンス変異 M I C K A Y 5’ A U G A U C C U G A A G U A G U A C 3’ ナンセンス変異 M I C K stop 5’ A U G G A U C C U G A A G U A G U A C 3’ フレームシフト変異 M A P E V V ミスセンス変異による進化の例 （抗⽣物質耐性菌） 微⽣物は⽔中を泳げる（種も結構いる） 抗⽣物質濃度 0 1 10 100 1000 100 10 1 0 60℃ 60℃ 6  2024/12/18 なぜ抗⽣物質耐性になる？ Ans. 変異によって抗⽣物質がリボソームに結合できなくなるから 例）テトラサイクリン耐性 テトラサイクリン S10 リボソームタンパク質S10の遺伝⼦（rpsJ）にミスセンス変異が⼊る cgtgcggtgCACaaatac cgtgcggtgCGCaaatac Rrg Ala Val His Lys Tyr Rrg Ala Val Rrg Lys Tyr ミスセンス変異による進化の例 （鎌状⾚⾎球） ヒトのβグロビン（ヘモグロビン）遺伝⼦の配列が1⽂字変わったら… DNA → GTG CAC CTG ACT CCT GAG GAG AAG… アミノ酸 → Val His Leu Thr Pro Glu Glu Lys… DNA → GTG CAC CTG ACT CCT GTG GAG AAG… アミノ酸 → Val His Leu Thr Pro Val Glu Lys… ヒトはゲノムDNAを２セット持っている → 基本的には同じ遺伝⼦を２つ持っている ２つのβグロビン遺伝⼦の両⽅に上記の変異 マラリアの感染機会が⾼い → 重篤な酸素運搬能⼒の低下 アフリカ⼈に多い ２つのβグロビン遺伝⼦の⽚⽅に上記の変異 → 酸素運搬能⼒の低下は限定的 ⇔ マラリアに感染しにくくなる 7  2024/12/18 遺伝⼦以外の変異でも影響はあるのか？ 転写促進因⼦ 転写抑制因⼦ 遺伝⼦ プロモーター プロモーターや転写因⼦が結合する配列の変異は転写 （遺伝⼦発現）に影響する ヒトのラクトース（乳糖）耐性変異の広がり 乳児の時期は⺟乳（ラクトース含む）からエネルギー摂取 → ラクターゼ（ラクトース分解酵素）が発現 ⼤⼈になると様々な⾷糧からエネルギー摂取可能 → ラクターゼは不要となり発現量低下 ラクターゼ遺伝⼦の転写調節領域に変異が⼊ることで成⼈でも発現 1万年前に北欧と中央アフリカでウシの家畜化が始まった → 飢餓時に⽜乳からエネルギー摂取できる地域でこの変異が広まる 8  2024/12/18 進化に関わる様々なゲノムDNAの変化 変異による進化 例）抗⽣物質耐性 鎌状⾚⾎球 例）ラクトース耐性 例）亜鉛貯蔵リボソーム 変異以外の進化（例） 遺伝⼦重複による進化の例 同じ遺伝⼦が２つできれば、⽚⽅で⾊々試せる L31C+ 重複 C C C C リボソームタンパク質 ⽚⽅に変異 L31遺伝⼦ L31C+ L31C- L31 C C L31C+ 細胞の中のZn2+イオン濃度低下 L31C- L31C-（Zn2+なし）が発現 L31C+（Zn2+あり）が分解 Zn2+が供給される Akanuma G, (2021) Biosci Biotechnol Biochem. Review 9  2024/12/18 ⼤きな変化が残りにくい遺伝⼦とは？ ⽣物にとって⽋かせない機能を持つ遺伝⼦は変化が残りにくい アーキアと 真核⽣物の RNAポリメラーゼ ⼤腸菌と枯草菌の リボソーム 枯草菌と⼤腸菌のrRNAの配列⽐較（16S rRNAの⼀部のみ） 枯草菌 5’-ATTAGCTAGTTGGTGAGGTAACGGCTCACCAAGGCGACGAT-3’ ⼤腸菌 5’-ATTAGCTAGTAGGTGGGGTAACGGCTCACCTAGGCGACGAT-3’ ⼤きな変化が残りにくい遺伝⼦を使って進化の過程を推察する 細菌（バクテリア）とアーキアは原核⽣物 進化過程としてはアーキアは細菌よりも真核⽣物の⽅が近い 30億年前に３つのドメインが分岐したと考えられている 30億年以上にもわたる変異と淘汰の繰り返しが今の⽣物多様性を作り上げた 10  2024/12/18 30億年以上前のリボソームはrRNAだけだった（かもしれない） 原始的リボソーム 現代のリボソーム 進化 逆進化 世界最⼩のリボソームを作れば進化の過程が⾒えるかも 進化 逆進化 Livescience tenki.jp Conclusion 進化とはある種の⼦孫に遺伝⼦が異なる新しい種が現れること 進化の原動⼒は遺伝⼦変異と⾃然淘汰 遺伝⼦変異はDNA損傷やDNA複製エラーによって⽣じる 遺伝⼦内変異の種類 ① サイレント変異: 変異後も同じアミノ酸を指定するコドンになる場合 ② ミスセンス変異: 異なるアミノ酸を指定するコドンに変化 ③ ナンセンス変異: アミノ酸を指定するコドンがストップコドンに変化 ④ フレームシフト変異: DNAの挿⼊や⽋失によってコドンがずれる 遺伝⼦重複によって進化の⾃由度が⾼まる ⽣物にとって⽋かせない機能を持つ遺伝⼦は変化が残りにくい （ DNAポリメラーゼ、RNAポリメラーゼ、リボソームなど） → 16S rRNAの配列を⽐較することで進化の過程が推察できる（系統樹） 11