Nature Podcast ”Problems with Pet DNA"

担当　B4みよし
出席者 7名

概要:
https://www.nature.com/articles/%20d41586-018-05771-0
DNA解析をペットがかかりうる病気を診断することに使用することに関する是非

問題点:
・DNA解析の結果の解釈の基準が無いため、DNA解析の結果を企業側が恣意的に解釈し、自社の製品（ペットフードなど)を飼い主にすすめることが可能
・どのSNPがどの病気のリスクを高めるのか実はわかっていないので、そもそもそのような解析自体が無意味な可能性がある

解決策
・レギュレーションを設ける
・DNA解析の結果を悪用しないように監視する国際的な機関を作る

細胞の分子生物学 第8章「タンパク質、DNA、RNAの操作」 1,2,3節

担当：顔
参加者：8名

概要
この章はタンパク質、DNA、RNAなどの細胞の構成成分の研究に用いられる主な技術を紹介します。
第一節に細胞器官を単離する方法蛍光色素標識やレーザー顕微解剖法、またES細胞およびハイブリドーマを紹介しました。
第二節にタンパク質の精製の話をしまして、細胞小器官のホモジェネートに細胞を分画する超遠心法と平衡沈降法二つ方法を分かりしました。
最後の節はタンパク質の解析を紹介します。タンパク質分離技術SDSとイオン交換クロマトグラフィ及び二つの方法を組み合わせた二次元ゲル電気泳動、また特定のタンパク質を同定する免疫プロット及び未知タンパクを同定する質量分析法などを紹介しました。それ以外にタンパク質配列の類似性検査を使って機能の予測、またタンパク質の構造予測から機能の推定までの研究課題をわかりました。

議題
あらゆるタンパク質について、アミノ酸配列からその機能を完全に予測できるようになる日は来るか

現段階の研究：
間接の予測、機能の同定（機能から配列まで）
１、タンパク質や核酸の配列がデータベースに登録されて、わかった遺伝子と比較して遺伝子機能やそれが指令するタンパク質の推測できます。
２、未知機能アミノ酸配列を既知アミノ酸配列のデータベースに類似性検索して、進化の類縁関係を利用して推定します。

直接の予測（配列から構造まで、構造から機能まで）
１、配列から構造まで
タンパク質の構造予測：二次元構造、折りたたれ、三次元構造
ーーCASP（タンパク質構造予測コンテスト）
２、構造から機能まで
似てるタンパク質構造は似てる機能があるかもしれません
変異のシミュレーション
リガンドとタンパク結合部位の予測

そのほか：
タンパク質ネットワークからタンパク質機能の推定
ーーCAFA（タンパク質機能推定コンテスト）

現段階完全できない可能の理由：
コンピュータの性能を向上しても、homology simulation、ab initioにまだ色々な制限があります。

まとめ
以上の方法を使ってタンパク質データがどんどん増えていますが、正しくまた完全的にタンパク質の機能を知るのはまだ長い戦争です。

細胞の分子生物学 第7章「遺伝子発現の調節」 6,7節

担当：新田
参加者：8名

概要
　細胞は遺伝子の発現を調節するため、RNAからタンパク質に至る経路の色々な段階を制御している。これらの調節段階の大半には調節を受けるRNA分子内の特異的塩基配列または構造の識別が必要であり、それを担うのは調節タンパクまたは調節RNA分子である。
　よく解明された非翻訳RNAの使用例として、短い一本鎖RNAがガイド役として働き、細胞内の他のRNAを塩基対形成によって選択的に識別して結合するRNA干渉がある。RNA干渉はmRNAの分解または翻訳抑制を引き起こし、また、特定の遺伝子群をヘテロクロマチンに凝縮させることでその転写を抑制することもある。

議論点
様々な段階で調整を行う利点

・遺伝子発現の調節段階には以下の6つがある
①転写調節 ②RNAプロセシングの調節 ③RNA輸送と局在化の調節 ④翻訳調節 ⑤mRNA分解の調節 ⑥タンパク質の活性調節

・上記は真核生物の場合であり、原核生物では①と⑥のみ（④も多少はあるかも）

利点
・保留にできる（量の微調整が効きやすい）
・時短になる（？） → 質が下がるのでは？
・調節対象による適、不適への対応（ただし、①⑥のみでは×）
・環境への適応力が上がる（③〜⑥：核外での調節）
　→核外という「より近い場所」で刺激を受け取ることができる
　　→核内外の出入りのコストの問題は？（一応通れることは通れる）
・バリエーションを増やす（②）
　→各々に対応する遺伝子を持っていればいいのでは？
・mRNAの方が運搬が楽（③）
・mRNAの状態で貯めておくことが、一部の細胞では大切（④）

（欠点？：構造が複雑になる）

まとめ
　大部分の遺伝子では転写調節が最も重要であるが、それに加えてタンパク質の活性調節も重要であるということが、原核生物の調節機構からも理解できる。その間にある複数の調節段階は、基本的には「効率化」、つまり「応答速度を早くする」ということが主要な利点として挙げられるのではないだろうか。

細胞の分子生物学 第7章 「遺伝子発現の調節」 4,5節

担当：相澤
参加者：７名

概要

動植物の様々な細胞は、細胞の型ごとに異なる遺伝子セットを転写する仕組みで主に作り出されている。高等な真核生物では各型の細胞に特定の転写調節因子セットが存在し、その細胞型に適した遺伝子群のみが確実に発言するようになっている。また、専門化した動物細胞は細胞分裂を繰り返しても、また培養増殖下でも固有の性質が維持できる。よって遺伝子調節機構は安定で分裂後も受け継がれる。転写調節因子が自ら永続的に合成できるような直接または間接的な正のフィードバックループは細胞の記憶の最も単純な機構になっている。真核細胞での遺伝子発言記憶パターンを細胞に記憶させるために、受け継がれる形のDNAメチル化やクロマチン凝縮状態を付加機構として使っている。DNAのメチル化はゲノムの刷り込みとも関係している。

議題「ゲノム刷り込みを阻止することでゲノム刷り込み由来の病気の発症を防ぐことはできるのか」

病気の発症の原因は活性を持つ遺伝子が変異、かつゲノムの刷り込みが同時に起こることにある。そのためゲノムの刷り込みを阻止すれば発症は抑えられる。

ゲノムの刷り込みをなくすためには、まずゲノムの刷り込みの存在理由を知る必要がある。存在理由としては議題では二つの説が上がった。

一つは無為生殖を無くすためという説である。ゲノムの刷り込みがなければ必ず両親の遺伝子が必要であり、無為生殖がなくなることで種の多様性を保つことができる。しかし無為生殖は高等な生物の一部で度々起こることが確認されていることであり、無為生殖が生物全般で防ぎたいことであるなら、ゲノムの刷り込みが有胎哺乳類のみで起こることと矛盾している。

もう一つは、大きな子供を残したい雄と大きな子供を残したくないメスの妥協点であるという説である。ゲノムの刷り込みの多くは胎児の成長に関与するで起こり、雄由来の遺伝子で胎盤の形成の決定をしメス由来の遺伝子で子供のサイズを決定する。これは雄としては自分の遺伝子を残したいために子供ができるかどうかを決定させ、雌は自分の身の安全の上で子孫を残したいため子供のサイズを決めていると考えると辻褄が合う。
また胎児目線だと自分の体の大きさを決める上で母体の遺伝子の基づいた体のサイズ決定をすることが最適解と考えられる。これは有袋哺乳類だけで起こることとも矛盾がないが、胎盤の形成の関与する遺伝子が雄由来であることの理由が弱い。

まとめ

議題の結論としては、ゲノムの刷り込みを阻止すれば、病気の発症を防ぐことは可能である。しかし刷り込みを阻止することを考えたときに、ゲノム刷り込みの存在理由が曖昧であり阻止して良いとは言い切れない。したがって発症を無くす第一歩として存在理由を明らかにすることが必要である。

細胞の分子生物学 第7章 「遺伝子発現の調節」 1,2,3節

担当：矢後
参加者：7名

概要

様々な細胞の違いは発現している遺伝子の違いであり、細胞が発生する過程でこの発現する遺伝子の調節が行われている。この調節で最も重要なのはRNA転写の段階である。転写調節因子がDNAの特定のシス調節配列を認識することで、どの遺伝子を発現するかどうか（オンorオフ）を決めるのである。その仕組みとしては、調節因子がシス調節配列に結合すると、状況によってその遺伝子にRNAポリメラーゼが結合できないようにして、RNAの転写が行われないようにしてしまうのである。

議題

細胞がDNAを変化させずに分化する理由
言い換えると、なぜ細胞ごとに異なるDNAを持つようにはならなかったのか

メリット、デメリットとして上げられた意見

メリット

・DNAを変化させないほうが遺伝が容易いのではないか。

（これについては、生殖細胞だけが全情報を保持すれば良いのではないか、という意見も出ている）

・ヒトデ、プラナリア、またはiPS細胞の例ように、細胞分化によってあらゆる細胞になることができる仕組みが成り立つ。

・環境適応（環境によって遺伝子発現の調節を変えること）が可能になる。

デメリット

・１つの細胞に全ゲノム情報があると、サイズの無駄になるのではないか

ゲノムを再編成するにしても、結局はそのための機能が必要なのではないか

初めは「遺伝子発現を調節」 vs 「細胞ごとにゲノムを再編成」の議論かに思われたが、結局は後者も、細胞ごとに決まったゲノムを再編成するためには調節の機能が必要なのではないか、という意見が出た。

免疫細胞は実際にゲノムを再編成する

免疫細胞の中には、ゲノムを再編成するものも存在する。

それぞれの細胞が限られた対象（抗原など）に反応するように、つまり機能を特化させる目的で、ゲノムから余計な部分を削るのである。

まとめ

細胞分化の過程でゲノムを再編成するのは、再編成の調節機能も必要になるため、免疫細胞のような一部を除いては無駄なのかもしれない。

唯一のデメリットとして挙げられた「１つの細胞に全ゲノム情報があると、サイズの無駄になるのではないか」という問題については、実際にどれほどのサイズが必要なのか考える必要があるだろう。

細胞の分子生物学 第6章「ゲノム情報の読み取り」第 2, 3節

細胞の分子生物学 第6章「ゲノム情報の読み取り」第 2, 3節

担当：小澤
参加者：8名

[概要]

　mRNAの塩基配列はヌクレオチド 3個ずつの組み合わせとして読み取られる。この3文字の組み合わせによって、対応するアミノ酸が生成される。RNAは４種類のヌクレオチド(A,U,C,G)をもつため、この３文字の取りうる組み合わせは4×4×4=64通りである。しかし、 タンパク質に普通見られるアミノ酸は20種である。1つのアミノ酸に対応する３文字の組み合わせには被りがあり、６種類のコドンから翻訳されるアミノ酸もあれば１種類からしか翻訳されないアミノ酸もある。

[議題]

　各アミノ酸に対応するコドンの数が違う理由

ー複数のコドンがある意味ー

　1つのアミノ酸が複数のコドンを持つ場合そのコドンは似ている場合が多い(多くの場合3文字目だけ異なる)。 そうすることで変異によって１文字変わったとしても、 翻訳先のアミノ酸は変わらない、ということが起きる。これによって、変異に対してある程度強くなる。

ー重要度の高い(たくさん必要な)ものは種類が多い？ー

　たくさん必要なものにコドンを多く割り当てることによって、発生確率をあげている可能性がある。

しかし、たくさん必要だから多種のコドンを割り当てたのか、多種のコドンが割り当てられているために多く存在するのか、という疑問も生じる。

ー誤って生成された際に有害なものは種類が少ない？ー

　コドンが 1種類しかないものはメチオニン(開始コドン)とトリプトファン。コドンを６種類(最多)持つものはアルギニン、ロイシン、セリン。トリプトファンは側鎖が以上に大きくロイシンとセリンは小さい。 開始コドンが誤って生成されると新しく誤生成された開始コドンから元々開始コドンだった場所までの間で、大量の不要なアミノ酸が生成される。また、側鎖の大きいものほど誤生成されたときの影響が大きい、これらのことから、 コドンの種類は誤生成されたときの危険度と関係がありそうだ。

ー偶然？ー

　コドン表が最適であるかはわからない。あるときある程度うまくいくコドン表が生まれ、それが爆発的に広がり、コドン表の最適化は行われていない可能性がある。シミュレーションをすることで、コドン表がどの程度効率的に作られているかが分かるかもしれないが、計算量は膨大である。

まとめ

　コドンが複数あることによって、変異に強くなる。ただし、たくさんのコドンを持つアミノ酸は、変異によって誤って生成される確率が高い。誤生成された場合に致命的となるようなアミノ酸には割り当てられているコドンが少ない可能性がある。

細胞の分子生物学 第6章「ゲノム情報の読み取り」1節

担当：荒井
参加者：8名

[概要]
　DNAからの転写によってmRNAは生成される。転写の開始および終了位置は特定の配列により決定され、転写はRNAポリメラーゼが行う。細菌ではRNAポリメラーゼは1種類だが、真核生物では複数となり複雑さを増す。転写されたmRNAに対してタンパク質に翻訳されない領域イントロンを切除するスプライシングを行う。適切に加工されたmRNAは核膜孔複合体を通って細胞質へと運ばれ、タンパク質となる。最終産物がRNAとなる物も存在し、細胞内で構造体や調節因子として働く。

[議論点]

Why do we need to convert DNA to RNA to make proteins? Why can’t we skip the process of transcription?

なぜタンパク質合成のためにDNAをRNAに転写する必要があるのか？なぜ転写を省略することは出来ないのか？

RNA転写のメリットの考察

　遺伝情報保存の能力だけでなく伝達する能力も兼ねている

　DNAよりもサイズが小さいため情報伝達の能力が高い（必要な情報のみ伝達可能）

　不要になった要素を破棄することが簡単

　全てのDNA鎖を開くには時間がかかるため部分的に行う転写の方が時間効率が良い

　DNAにとってはタンパク質合成よりもRNA転写の方がコスパが良い

→スプライシングをする手間があるため一概にそうかは分からない

RNA転写のデメリットの考察

　DNAから直接プロテインを生成するよりも1ステップ多くなっている

　DNA複製と比べて塩基配列の誤りは多くなる（DNA複製の約1,000倍の確率）

DNAとRNAの比較

　双方とも2本鎖を形成するが、RNAは2本鎖で安定した状態が複数存在する。したが

　って、DNAの方がより画一的な状態で保存できていると考えることも出来る。

古来DNAは存在していなかった可能性

　生物の起こりの段階では細胞はRNAの海であり、RNAからタンパク質を合成すると

　いう方法しか存在しなかった。また、RNAが突然変異を起こしてDNAが誕生したと

　いう説もある。

[まとめ]
　RNAを転写によって生成するメリットは多数考えられた。特にDNAよりもRNAの方が小さなサイズであるという点は大きな違いであると思われる。また、DNAよりもRNAが古来から存在しているのではないかという観点も現在のRNA転写を考える一つの要素である。