氏 名 嶋 彩夏
学 位 専 攻 分 博士 理学
学 位 記 番 総研大 第
学位授与の日付 成 ６ 月 日
学位授与の要件 科学研究科 生命共生体進 学専攻
学位規則第６条第 該当
学 位 論 文 題 目
論 文 審 査 委 員 主 査 准教授 辺 秀之 教授 颯 葉子
准教授 大 也
准教授 博樹 大学
論 文 内 容 の 要 旨
Summary of thesis contents
In this thesis, I aim to elucidate the birth and death processes of vertebrate Cytochrome P450 (CYP) genes to understand the evolution of human CYPs. Members of the CYP family encode important metabolic enzymes that are present in all metazoans. Genes for CYP form a multi-gene family, and the number of genes varies widely among species. The enzymes are classified as either biosynthesis- (B-type) or detoxification-type (D-type), depending on their substrates, but their origin and evolution have not been fully understood. In order to elucidate the birth and death process of CYP genes, I performed a phylogenetic analysis of 710 sequences obtained from 14 vertebrate genome databases and 543 sequences from 6 invertebrate genome databases. My results showed that vertebrate D-type genes have independently emerged three times from B-type genes and that invertebrate D-type genes so far characterized differ from vertebrates in their origins. B-type genes exhibit more conserved evolutionary processes than do D-type genes, with regard to the rate of gene duplication, pseudogenization, and amino acid substitution. The differences in the evolutionary mode between B- and D-type genes may reflect differences in their respective function. The phylogenetic tree also revealed 11 clans comprising an upper category to families in the CYP nomenclature. Here, I report novel clan-specific amino acids that may be used for the qualitative definition of clans.
This is the first report about evolutionary mode on CYP genes in vertebrates and the novelties of this research are the following three points. They are described in Chapter 3:
1) The difference in the evolutionary mode between B- and D-types was shown quantitatively. Especially, I estimated the time and rate of gene duplications and pseudogenization or losses by comparing genome sequences.
2) The origin of B-type genes has been believed to be ancient. On the other hand, the origin of D- type is only known to be a duplication of B-type. I showed that vertebrate D-type genes have emerged three times from three different B-type genes, and invertebrate D-type genes so far confirmed appear to have an independent origin from vertebrae D-type genes.
3) The clan has been defined as an upper category of families in metazoan and plant CYP genes. I showed a clan-specific amino acids and this information is useful for qualitative classification of CYP clans.
According to the results, the evolutionary rates were different between B- and D-types significantly. The birth and death (pseudogenization) rates of B- and D-type genes differed in magnitude: the rates in B-type genes were 0.7 and 0.2 per 100 myr, respectively, whereas those in D-type genes were 12.7 and 6.9 per 100 myr, respectively. Compared with D-type genes, the evolution of B-type genes was highly
(Separate Form 2)
conserved with regard to their mode of birth and death processes as well as amino acid substitutions. The substrates of B-type enzymes are chemicals that play important roles in metabolism of vitamin D, steroids, and cholesterol. In contrast, the substrates of D-type enzymes are xenobiotics such as plant alkaloids. In light of this substrate specificity, I hypothesize that the conserved evolutionary pattern observed in B-type enzymes reflects the importance and conservation of their substrates, whereas the rapid evolution of D-type enzymes indicates that their substrates are flexible and highly dependent on environmental factors.
In addition to the above issues, I also performed the analysis of CYP pseudogenes in the human genome. CYP is thought that it evolved with adapting to the environment habitat. The pseudogenization is the important aspect of the evolutionary process of multi-genes. Among the presence of 58 CYP pseudogenes in humans, four human specific CYP pseudogenes have been reported, but there is no study about the rest of 54 pseudogenes. I also unveiled the cause of pseudogenization or time of pseudogenization of all human CYP pseudogenes.
In Chapter 4, I discussed the evolutionary mode of CYP genes in vertebrates. Especially, I focused on the evolutionary mode of CYP genes that is driven by substrate specificity. The metabolism of chemicals is the one of the systems responding to the environment. Organisms have many systems for chemical metabolism with adapting the intake of chemical materials. CYPs are one of the important components of these mechanisms and they are indispensable enzymes not only in the human but also in the almost all organisms. They work in the liver of wild animals as a main enzyme to metabolize some alkaloids, which is involved in many wild plants. On the other hand, CYPs metabolize not only alkaloids from plants but also medicines in modern humans. Modern humans become to use many medicines for the treatment of disease quite recently in the evolutionary process of humans. These medicines were made by testing for mice or macaques as model animals instead of humans. Model animals are used for the confirmation of safety in the most study on CYP metabolism for medicine until now. However, because humans and other model animals diverged a long time ago, and each species evolved in each way until now, it is necessary to confirm and reexamine these findings of model animals in humans directly and also necessary to understand the metabolic system in humans and to apply the result of the study based on model animals, Their evolutionary background must be different between humans and model animals. To understand their difference, we should know their evolutionary background that is inscribed in the genome of each species. These information is including when and how evolved each species and these information cannot be obtained from the direct examination on model animals. Therefore I tried to elucidate the metabolic systems of chemicals in humans by using evolutionary point of view.
Summary of the results of the doctoral thesis screening
論 文 審 査 結 果 ［ 「014年 】 1】日 実 施 ］
Cytochrome P450 CYP 約 500 ノ 酸 残 基 成 450nm の 波 長 域 吸 ピ ク 分 子 の 総 称 あ 大 く の 2 の タ プ 分 類 さ 1 生 体 内 取 込
薬 物 や ロ 代 謝 解 毒 薬 物 代 謝 酵 素 さ の D タ プ 2
ロ ホ ン の 生 理 活 性 物 質 の 生 合 成 関 の B タ プ CYP
遺 伝 子 多 重 遺 伝 子 族 形 成 い 生 物 進 化 の 過 程 様 々 生 息 環 境 の 変
化 伴 い 多 様 化 い の 起 源 1 考 え い い の う 多
様 化 の い 明 点 多 い
本 博 士 論 文 CYP 遺 伝 子 の 起 源 多 様 化 の 進 化 的 プ ロ セ 明 目 的 脊 椎 動 物 無 脊 椎 動 物 酵 母 の 塩 基 配 列 タ 用 い 分 子 進 化 学 的 解 析 行 の
あ 論 文 記 載 さ 7 の 項 目 の 解 析 結 果 考 察 以 示
1 脊 椎 動 物 D タ プ CYP 遺 伝 子 の 起 源 進 化： 57 個 の ヒ CYP 遺 伝 子 作 成 さ 分 子 系 統 樹 B タ プ D タ プ の 派 生 少 く 3 回 の 独 立 ベ ン あ 示 唆 さ 脊 椎 動 物 710 個 の CYP 遺 伝 子 基 い 系 統 樹 CYP 遺 伝 子 10 個 の clan 分 示 さ
2 脊 椎 動 物 無 脊 椎 動 物 の CYP 遺 伝 子 の 比 較 解 析 ： B タ プ い 脊 椎 動 物 の
の 種 保 遺 伝 子 数 一 定 あ の 対 D タ プ い 脊 椎 動 物 の
進 化 の 過 程 遺 伝 子 重 複 や 失 高 頻 度 生 い 示 さ 無 脊 椎 動 物 543 個 の 遺 伝 子 の 解 析 B タ プ D タ プ 派 生 出 現 年 代 約 13 億 年 前 ‐ 6 億 年 前 あ 刺 胞 動 物 の 出 現 以 前 酵 母 の 出 現 以 後 あ 示 唆 さ
3 脊 椎 動 物 無 脊 椎 動 物 の D タ プ CYP 遺 伝 子 の 起 源 進 化 ： 脊 椎 動 物 無 脊 椎 動 物
共 D タ プ の 遺 伝 子 存 在 の 環 境 適 応 独 立 生 の
考 え
4 脊 椎 動 物 B タ プ D タ プ CYP 遺 伝 子 の 重 複 失 ： birth and death プ ロ
セ 遺 伝 子 重 複 失 偽 遺 伝 子 化 頻 繁 生 示 唆 さ 特
birth and death プ ロ セ の 速 度 比 較 重 複 偽 遺 伝 子 化 の い い D タ
プ の 方 B タ プ 速 く 起 い 明
5 ヒ ノ CYP 遺 伝 子 の ク タ ：1p CYP4 7q CYP3A 10q CYP2C
19p CYP4F 19q CYP2 の 5 の ク タ 存 在 示 さ
6 B タ プ D タ プ CYP 偽 遺 伝 子 い ： 17 個 の ヒ 偽 遺 伝 子 の う ち 3 個 B タ プ 14 個 D タ プ あ の う ち CYP2G2P ヒ 特 異 的 偽 遺 伝 子 あ
7 B タ プ D タ プ CYP 遺 伝 子 の 分 子 進 化 速 度 い ：霊 長 類 の B タ プ び D タ プ の 分 子 進 化 学 的 解 析 B タ プ の 方 D タ プ 機 能 的 制 約 強 い 示 唆 さ
以 の 様 々 進 化 学 的 特 性 D タ プ の 基 質 生 体 外 由 来 の 毒 物 等 あ 生 息 環 境 応 適 応 的 進 化 の 対 B タ プ の 基 質 生 体 内 由 来 の 物 質 あ 生 体 内 の 恒 常 性 保 ち 遺 伝 子 配 列 大 く 変 え 保 存 的 進 化
映 い の い 考 察 い CYP 遺 伝 子 多 様 化 の 重 要 知 見 あ
(Separate Form 3)
以 述 べ う 本 博 士 論 文 多 数 の 重 要 新 知 見 盛 込 本 論 文
博 士 理 学 十 分 値 の あ 断 脊 椎 動 物 無 脊 椎 動 物 の CYP
遺 伝 子 の 起 源 進 化：急 速 多 様 化 遂 D タ プ 保 存 的 B タ プ 関 連 部 分 申 請 者 筆 頭 著 者 査 読 付 国 際 学 術 誌 あ PLOS ONE 掲 載 済 あ
試 験 結 果 ［ 「014年 】 1】日 実 施 ］
公 開 発 表 会 CYPの 特 徴 分 子 進 化 学 的 解 析 結 果 の 考 察 い 本 博 士 論 文 の 内 容 沿 発 表 行 わ 特 Bタ プ Dタ プ の 比 較 解 析 Bタ プ
Dタ プ の 派 生 現 象 少 く 3回 の 独 立 ベ ン 明 点
Bタ プ 脊 椎 動 物 全 体 の 種 保 遺 伝 子 数 一 定 あ の 対 D
タ プ 脊 椎 動 物 の 進 化 の 過 程 遺 伝 子 重 複 や 失 高 頻 度 生 環 境 応
適 応 的 進 化 示 点 の 高 い 研 究 評 価 さ
質 疑 い CYPの 基 本 的 特 性 や 系 統 樹 分 岐 年 代 Bタ プ Dタ プ の 定 義 付
等 の 質 問 さ 対 明 確 対 応 行 う
口 頭 試 問 審 査 員 の 質 問 や ン 的 確 対 応 特 脊 椎 動 物 無 脊 椎 動 物 由 来 の 膨 大 遺 伝 子 塩 基 配 列 タ 用 い のCYP遺 伝 子 の 起 源 多 様 化 の 進 化 的
プ ロ セ 明 多 く の 重 要 知 見 得 在 籍 中 多 く の 学 び
多 く の 考 察 行 い 研 究 姿 勢 今 後 の 研 究 の 発 展 の 可 能 性 う う
語 学 力 関 申 請 者 筆 頭 著 者 論 文 査 読 付 国 際 誌 掲 載 さ い 点
本 論 文 の 英 語 要 旨 全 体 英 文 的 確 書 い い う 点 問 題 い
断 さ
以 の 観 点 川 嶋 彩 夏 さ 総 合 研 究 大 学 院 大 学 先 導 科 学 研 究 科 の 課 程 博 士 理 学
の 要 件 充 学 位 授 相 応 い 断 さ
