牵ὔ絭㭒픰潒ٛ偪彨뀰朰䈰訰œᙛ晓쵟 朰䈰謰 › eng › opencampus › pdf ›...
31
高校生のためのオープンキャンパス2014
Transcript of 牵ὔ絭㭒픰潒ٛ偪彨뀰朰䈰訰œᙛ晓쵟 朰䈰謰 › eng › opencampus › pdf ›...
高校生のためのオープンキャンパス2014
プレゼンター
プレゼンテーションのノート
我々は生命から学ぶことが多い。 つきつめていくと、 生命分子は有機分子の規則的な集合体である 生命活動は分子機械であり、化学反応である。
Molecular pathogenesis
(病気の原因を分子レベルで解明すること)
アデノシン三リン酸（ATP）
ATP ⇄ ADP + Pi ATP ⇄ AMP + PPi
プレゼンター
プレゼンテーションのノート
ATP→ADP+Pi or ATP→AMP+PPi ΔG=-7.3kcal/mol
Wikipediaより
グルコース + 38ADP+38Pi+6O2+6H2O → 6CO2+12H2O+38ATP （C6H12O6）
ミトコンドリアと呼吸
解糖系→2ATP クエン酸回路→2ATP 電子伝達系→34ATP
ATP
プレゼンター
プレゼンテーションのノート
解糖系で生じた2 NADHをミトコンドリア内に輸送する仕組みが二つある。 筋肉ではグリセロールリン酸シャトルで輸送し、2 NADH → 4 ATP、したがって筋肉では36ATP 肝臓・心臓・腎臓ではリンゴ酸・アスパラギン酸シャトルで輸送し、2 NADH → 6 ATP、肝臓・心臓・腎臓では38 ATP ただし，これらはNADH →3 ATP，FADH2 → 2ATPとして計算したもの。現在はNADH → 2.5ATP，FADH2 → 1.5ATPと 計算する成書も多い。これだとと32 ATPとなるが、現在でも議論のあるところ。 -------------------------------------- 解糖系 4ATP-2ATP=2ATP TCA回路 2分子のスクシニルCoAから2GTP(2ATPに変換) 酸化的リン酸化 解糖系から2NADH→上記の理由で、筋肉では4ATP, 肝・心・腎臓では6ATPに相当 ピルビン酸の酸化的脱炭酸で生じた2NADH→6ATP TCA回路で6NADH→18ATP TCA回路で2FADH2→4ATP
ミトコンドリアの電子伝達系
複合体I (Complex I)
複合体III (Complex III)
複合体IV (Complex IV)
ATP合成酵素
複合体V (Complex V)
プレゼンター
プレゼンテーションのノート
複合体I：NADHデヒドロゲナーゼ (ユビキノン) (NDH) 複合体II：コハク酸脱水素酵素、フマル酸還元酵素 (SDH, FRD) クエン酸回路の酵素 複合体III：シトクロム bc1 複合体 (Cyt bc1) 複合体IV：シトクロムcオキシダーゼ (COX, SOX) 複合体V：ATP合成酵素
目 まぶたが垂れる
脳 けいれん、 脳卒中様症状
耳 難聴
心臓 心筋症・不整脈
すい臓 糖尿病
筋肉 筋力低下、 易疲労性
内分泌 低身長
皮膚 発汗低下・多毛
消化管 下痢・便秘
腎臓 尿細管障害、 腎不全
ミトコンドリア病 ミトコンドリア機能異常によって引き起こされる疾患の総称 脳、心臓、骨格筋などのエネルギー需要の高い器官を中心に様々な症状を示す
原因遺伝子 ミトコンドリア遺伝子異常のある人が約７０％ 常染色体の遺伝子に異常がある人が約３０％ 原因遺伝子不明のものも多い
患者数 （国内） •推定数百人（特定指定疾患） •糖尿病、難聴、パーキンソン病、アルツハイマー病などの患者でミトコンドリア機能異常が原因とみられる患者を含めると数万人にのぼる。 •糖尿病患者約650万人の二割（130万人）はミトコンドリア病であると見積もられている。
発症機構 詳細な発症機構は不明
治療法 効果的な治療法はない
ミトコンドリア病の三大病型
MELAS (mitochondrial myopathy, encephalopathy, lactic acidosis and stroke-like episodes) 症状：脳卒中様の症状や痙攣が特徴 原因：ミトコンドリアtRNALeu(UUR)遺伝子の変異 MERRF (myoclonus epilepsy associated with ragged-red fibers、福原病) 症状：てんかんと小脳失調を特徴 原因：ミトコンドリアtRNALys遺伝子の変異 CPEO (chronic progressive external ophthalmoplegia) 症状：外眼筋麻痺や網膜色素変性を特徴 原因：ミトコンドリアDNAの欠失
ミトコンドリアDNA
Human mt DNA 16,569 bp
ヒトミトコンドリアtRNA Leu(UUR)遺伝子
C
G A3243G変異
T3271C変異
MELASはたった一か所の変異で生じる
（80%）
（10%）
13種類のタンパク質 22種類のtRNA 2種類のrRNA
G
U A
T
G A
G C G
G A T G
G T T
A
*
A
A
C T
C C G A
A T
A
A
A
A A
T
C
A
T C T
C C
C
A A
C G
G
T T
A
U
T
G G A
T A
A
T
T
T C
C C
C
C
A G
A
p
A
A
A
T T T
T
DNAとRNAの化学構造
5’-GATC-3’ または GATCと記述
G G
A
T
C
A
U
C
OH
OH
OH
OH
5’-GAUC-3’ または GAUCと記述
2 3
4
6 8
9 2 3
4
5 6 7
8 9
3
2 1
6
5 4 3
2 1
6 5
4
1 7
1 5
セントラルドグマ
ATGTTAATCTCCGGGTTGGATAAGTATCCTAAC
TACAATTAGAGGCCCAACCTATTCATAGGATTG |||||||||||||||||||||||||||||||||
5’
5’ 3’
3’ DNA
AUGUUAAUCUCCGGGUUGGAUAAGUAUCCUAAC 3’ 5’ RNA
転写 (transcription)
Met Leu Ile NH2 COOH Ser Gly Asp Lys Tyr Pro Asn Protein
翻訳 (translation)
Leu
tRNAはコドンとアミノ酸を結びつけるアダプター分子
tRNAの高次構造 （L-shape structure）
一次構造
kissing loop
二次構造
p
CCA末端
アミノ酸
アンチコドン
アンチコドン コ
ドン
34
35
36 37
1
2
3
34 35
36
タンパク質合成におけるRNAの役割
τ m 5 U
5-タウリノメチルウリジン
N
N H
O
O
O
O H
O H
O H
N H
O
O
O
H S
G
U A
U
G A
G C G
G A U G
G U U
A
*
A
A
A
C U
C C m1G A
A D
A
A
A
A A
U
C
C C
A
U C U
C C
C
A A
C G
G
U U
A
U
U
G G A
U A
A
U
U
U C
τm5U
C C
Ψ Ψ
C
m5C
m1A
m5U
m2G
A
p
A
A
A
ヒトミトコンドリアtRNAにタウリン修飾が見つかった
ヒトミトコンドリアtRNALeu(UUR)
Leu
(Suzuki et al., 2002)
MELAS患者はタウリン修飾を欠損している
MEALS患者
G
U A
U
G A
G C G
G A U G
G U U
A
*
A
A
A
C U
C C m1G A
A D
A
A
A
A A
U
C
C C
A
U C U
C C
C
A A
C G
G
U U
A
U
U
G G A
U A
A
U
U
U C
τm5U
C C
Ψ Ψ
C
m5C
m1A
m5U
m2G
A
p
A
A
A
Leu
G
U A
U
G A
G C G
G A U G
G U U
A
*
A
A
A
C U
C C m1G A
A D
A
A
A
A A
U
C
C C
A
U C U
C C
C
A A
C G
G
U U
A
U
U
G G A
U A
A
U
U
U C
U
C C
Ψ Ψ
C
m5C
m1A
m5U
m2G
A
p
A
A
A
Leu
健常者
C
G A3243G変異
T3271C変異
（80%）
（10%）
A
C
C
P-site A-site
UUG
0 . 5 0 1 . 0 0
0 . 0 5
0 . 1
0 . 1 5
UUA 0 . 5
0
0 . 1
0 . 2
0 . 3
0 . 4
0 . 5 0 1 . 0
τm5U
U
τm5U U
UUA
τm5U
タウリン修飾をもたないtRNAはUUGコドンを解読できない
UUG UUA
U
Boun
d tR
NA
(pm
ol)
Boun
d tR
NA
(pm
ol)
Input tRNA (pmol) Kirino et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA., 101, 15070-15075 (2004)
UUG
ヒトミトコンドリアDNAのコドン使用頻度 ND1 ND2 ND3 ND4 ND4L ND5 ND6 CytB
COⅠ COⅡ COⅢ ATPase6 ATPase8
UUA UUG
0 2 4 6 8 12 10 2 4 6 8 10 (number)
複合体
I III
IV
V
MELAS細胞におけるミトコンドリアタンパク質合成異常
Dunbar et al. Hum. Mol. Genet., 5, 123-129 (1996)
Hayashi et al. Biochem. Biophys. Res. Commun., 197, 1049-1055 (1993)
0% 87% 100%
0 % 8 7 % 1 0 0 % 0% 87% 100% % 3271 mtDNA
% 3271 mtDNA
T3271G変異細胞 A3243G変異細胞
タウリン修飾は通常のG・Uとは異なる対合様式を示す
Kurata et al., J. Biol. Chem. (2008)
G・τm5UはA35とスタッキングできる対合様式を示す
通常のG・U wobble対合 G・τm5U wobble対合
MELAS 発症の分子機構 ミトコンドリアtRNALeu(UUR)の点変異
UUGコドンリッチなタンパク質の発現低下 （ND6）
ミトコンドリア機能低下
呼吸鎖酵素複合体の機能異常 (Complex I )
ミトコンドリアtRNALeu(UUR)のタウリン修飾欠損
UUGコドン特異的な翻訳能の低下 m5UAA τ
UUG
Mt tRNALeu(UUR)
プレゼンター
プレゼンテーションのノート
In human mitochondrial protein genes, UUG codon occurs frequently only in ND6 gene. So, the defective translation of the UUG codon in MELAS could cause a specific defect in ND6 synthesis, which would result in the mitochondrial respiratory Complex I deficiency. This idea could explain the Complex I deficiency observed clinically in actual MELAS patients.
タウリン（2アミノエタンスルホン酸） H2N S
O
OH
O タウリンは、主に魚介、特に貝類（カキなど）やいか、たこに多く含まれます。 コレステロールを代謝する際に胆汁酸塩（タウロコール酸）の形成に関わります。 （コレステロール値を下げる） 肝細胞の再生を促進させる。 筋収縮に関わる。 細胞膜を安定化する。 細胞内カルシウムの流れを調節する。 視細胞の維持に必要。 細胞の増殖に関わる。 浸透圧の調節に必要。 ホメオスタシスに関わる。
しかし、RNAやタンパク質に
取り込まれるという報告例はなかった。
酸素原子を安定同位体（18O）で標識したタウリンで ヒトのがん細胞を培養し、tRNAを解析した
プレゼンター
プレゼンテーションのノート
To see whether taurine is a direct component of these modified uridines, we synthesized a stable isotopic taurine containing 18O-oxigens or 15N-nitrogen. HeLa cells were cultured in the presence of the isotopic taurine. After 2 days, mitochondrial tRNAs were isolated from the cells and subjected to LC/MS analysis.
m/z 399 (+1)
m/z 402 (+4)
Rel
ativ
e A
bund
ance
U
V 254
(mAU
)
U G
τm5s2U
m/z 398 (±0)
[18O] taurine
None
100 8 0 6 0 4 0 2 0 0
8 0 6 0 4 0 2 0 0
8 0 6 0 4 0 2 0 0
Time (min)
8 0 6 0 4 0 2 0 0
1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 2 1 2 2
100
100
100 [15N] taurine
Rel
ativ
e A
bund
ance
R
elat
ive
Abu
ndan
ce
[15N ] taurine H2
15N S
O
OH
O
[18O] taurine H2N S
18O
OH 18O
Direct incorporation of [18O] or [15N]taurine into τm5s2U of mitochondrial tRNAs
プレゼンター
プレゼンテーションのノート
This slide shows a schematic depiction for catabolic flow of intracellular taurine. Plasma taurine is pumped up through the taurine transporter on the cytoplasmic membrane. Cytoplasmic taurine is excreted as such or in the form of bile salts like taurocholate. Cytoplasmic taurine is imported into mitochondria through a putative mitochondrial taurine transporter to be used as a constituent for tm5U synthesis in mt tRNAs.
T a u r i n e ( p l a s m a )
T a u r i n e
T a u r i n e t r a n s p o r t e r
M i t o c h o n d r i a
B i l e s a l t s ( t a u r o c h o l a t e )
τ m 5 U
P u t a t i v e m t . t a u r i n e t r a n s p o r t e r
E x c
r e t i
o n
タウリンはミトコンドリアへ移行してタウリン修飾に使われる
Suzuki et al., EMBO J, 21, 6581-6589 (2002)
Taurine
プレゼンター
プレゼンテーションのノート
This slide shows a schematic depiction for catabolic flow of intracellular taurine. Plasma taurine is pumped up through the taurine transporter on the cytoplasmic membrane. Cytoplasmic taurine is excreted as such or in the form of bile salts like taurocholate. Cytoplasmic taurine is imported into mitochondria through a putative mitochondrial taurine transporter to be used as a constituent for tm5U synthesis in mt tRNAs.
タウリンを作れないネコは、タウリンが欠乏すると心筋症になる。
エネルギー消費の激しい心臓に傷害（拡張型心筋症、失明 etc）
タウリンの欠乏
ミトコンドリアｔRNAの修飾が不完全
ミトコンドリアの機能低下
(Pion et al., 1987)
1960年代にアメリカでドッグフードが普及し、
それを与えられた猫が次々と失明し、さらに心筋症になった。原因はドッグフードにタウリンが含まれていないこと。
プレゼンター
プレゼンテーションのノート
1960年代の初めにアメリカでドッグフードが普及し始め、それを与えられた猫が次々と失明していきました。後のこれは、ドッグフードにタウリンが含まれていないことが原因である事がわかりました。 人間や犬は、食事中にメチオニンが含まれていれば、それを材料にしてタウリンを合成する事ができます。しかし、ネコ科の動物は肉食に依存するためタウリンを合成する酵素の活性が低下しており、肉、あるいは魚介類から直接タウリンを摂取しなければタウリン欠乏が起こってしまうのです。
(s2)U
メチレン葉酸
(KCl, GTP, FAD)
O
OH O
O
O
O N
HN N S
(S) H O
O
OH
O
OH O
O
O
O N
HN (S)
τm5(s2)U
タウリン
ヒトミトコンドリアtRNAの34位
タウリン修飾の生合成機構
GTPBP3
Mto1
タウリン修飾の形成には葉酸とタウリンが必要である
セリン（β炭素）
exon1 2 3 4 56 7 8 9
1kbp
Mto1 allele
10 11 12
R620Kfs*8 A428T R477H T411I T308A G59A
Recent whole exome sequencing revealed MTO1 gene is associated with hypertrophic cardiomyopathy and lactic acidosis.
Baruffini E, et al. (2013) Human mutation 34(11):1501-1509. Ghezzi D, et al. (2012) Am J Hum Genet 90(6):1079-1087. Vasta V, et al (2012) Pediatrics international 54(5):585-601.
MTO1が変異するとミトコンドリア脳筋症を発症する
プレゼンター
プレゼンテーションのノート
ここでMTO1疾患について触れる アブストの図とか
タウリンの経口投与はMELASの治療に有効である！
Rikimaru et al. (2012)
２名のMELAS患者に毎日タウリンを経口投与したところ、１０年間、
脳卒中やてんかんをはじめとする症状が全く出ていない。
プレゼンター
プレゼンテーションのノート
Seizure 発作、てんかん Spatial agnosia 空間の失認 Stroke-like episodes 脳卒中様発作 Scotoma 暗点 Hemianopsia 半盲 Visual impairment Sensory aphasia 感覚性失語症 Oral administration of taurine reduces stroke-like episodes in MELAS patients. The clinical courses are shown of two MELAS patients (Cases 1 and 2) harboring the A3243G mutation in the mt tRNALeu(UUR) (A and E). Taurine administration has completely prevented stroke-like episodes in both patients over nine years. Fluid Attenuated Inversion Recovery (FLAIR) images of brain MRI revealed multiple stroke-like lesions in the occipitotemporal region before oral taurine administration (B, C, F, and G). In contrast, the most recent MRI showed no additional stroke-like lesions after taurine treatment (D, and H).
N O O H
O H O H
HN
O
O
N H
S O
O OH
N O O H
O H O H
HN
O
O
A A
G U U 3’ 5’
Leu 健常者の
tRNA
τm5U
A
タウリン修飾
修飾の欠損！ A A
Leu 患者の tRNA
U
G 変異!
コドンが読めない!
ミトコンドリア脳筋症（MELAS）の原因がわかった！
全身多臓器不全、特に脳卒中様の症状を特徴とするヒトの疾患。 ATPを作るミトコンドリアの機能
異常が原因でエネルギー消費の激しい器官に傷害が出る。
RNA修飾病の発見！
疾患がRNA修飾の欠損で生じることを示した世界初の例。
