3rd-jikken-comparative

生命情報実験

_A

「バイオインフォマティクスの道具箱」

比較ゲノム解析

慶應義塾大学生命情報学科

榊原康文，佐藤健吾

比較ゲノム解析

u

ゲノム配列情報の蓄積

n

決定済：真核生物 １８３ 種， 原核生物 ３９５６ 種

n

進行中：真核生物 ４６２８ 種， 原核生物 １５２３３ 種

（

_{2013年4月現在，}

GOLD Genomes OnLine Database v4.0

）

u

比較ゲノム解析の手順：

①

保存性の高い相同性領域を検索してアンカーを決定

②

ゲノム間の保存領域から，

n

遺伝子領域の同定

n

オーソログやパラログなどのホモログ遺伝子の解析

n

進化系統樹の解析

n

ゲノム再編成（挿入や欠失）やトランスポゾン（ゲノム中を

動き回る遺伝子などの領域）の同定

比較ゲノム解析

脊椎動物

脊索動物

前口動物

ホヤ

ヒト

マウス

ハエ

線虫

真正細菌

古細菌

大腸菌

霊長類

チンパンジー

真核生物

例題：２つの文章の比較解析

２つの似ている歌詞を比較してみる：

（浜崎あゆみ

_{"ever free"）}

（

_{Cocco "Raining"）}

同じ

「単語」や「短い文節」が両方の文章に出現

それは とても晴れた日で 泣くこと

さえできなくて あまりにも大地は

果てしなく 全ては美しく 白い服で

遠くから 行列に並べずに少し

歌ってた

それはとても晴れた日 おだやかな

笑顔に 白い花を一輪そっとそえた

美しいものは ときに悲しい生き物

やがてくる別れ感じて 黒い列なら

べずに

例題：ゲノム配列の比較解析

マイコバクテリアの

M. tuberculosis （結核菌）

と

M.leprae （らい菌）

アンカー（単語）

アンカーの対応関係

例題：ゲノム配列の比較解析

n

アンカーは，ゲノムを一つの長い文書と見なしたときに，

単語に相当するもの

rpsR1: ribosomal protein S18

遺伝子コード領域

ゲノム配列の進化

・・・GCG

T

TAGCCG・・・

・・・GCG

C

TAGCCG・・・

1

-5

4

-3

2

1

2

-5

4

-3

1

2

-5

-4

-3

1

2

3

4

5

ゲノム

A

ゲノム

B

転移

逆位

逆位

突然変異：

ゲノム再編成：

アンカーの計算

①

アンカーの抽出：

配列レベルで相同性の高い保存領域

anchor, pip, （local alignment）などと呼ばれたりする

数十から数百塩基ほどの相同領域で，エクソンや短い遺伝子

くらいの単位

アンカー

ゲノム

_A

ゲノム

_B

重複

欠失

_転位

_逆位

ゲノム

_C

既存の手法の問題点を解決して，国産のマルチプルゲノム比較システムを開発

①

Murasakiのタスク：

u

（１）アンカー（単語）の切り出し，（２）アンカーの格納，

（３）アンカー間の対応関係付け

②

システムのスケール性：

u

単一ＣＰＵで，

100Mbp（ヒト染色体）オーダーのゲノム配列

までは実用時間内で計算可能

③

配列パターンの出現頻度に関する統計的解析が可能

④

並列化による高速化とより大きなゲノムの比較

Murasaki ： 比較ゲノムシステム

アンカー切り出し

アンカー対応関係

Murasaki： 霊長類ゲノムの比較

l

ヒト（

human）

l

チンパンジー（

chimp）

l

アカゲザル（

rhesus）

Human 22+X+Y

Chimp 23+X+Y

Rhesus 20+X

12百万年

百万年

6

アカゲザル（マカク）

テナガザル

オランウータン

ゴリラ

チンパンジー

ヒト

原猿類

マーモセット

霊長類の系統樹

7

百万年

18百万年

25百万年

35百万年

60～65百万年

並列

_{Murasaki：霊長類ゲノムの比較}

u

humanーchimpーrhesusの丸ごと（全染色体）の比較

human

chimp

human

chimp

rhesus

1 2 3 4 5 6 7 8 9

10

11

12

13

14

15

16 17

18

19

20

21 22 X Y

複数種のゲノム配列の比較解析

①

タンパク質をコードする遺伝子領域などの機能的に重要な

領域では，その機能を保存する必要があるため，変異や再

編成などが起こり難い

②

複数の生物種のゲノムを比較することにより，変化の多い

部分と少ない部分を同定する

③

「強く保存されている場所には遺伝子などの機能的に重要

な領域が含まれている」

n

オーソログ遺伝子

（

orthologous gene）

– 異なる生物の最終共通祖先が持っていた同一の遺伝情報

にゆらい

– ヒトのαグロビンとマウスのαグロビン

オーソログ遺伝子とは

・・・

C A T A T G G A

・・・

・・・

C A T A T G G A

・・・

・・・

C A T A T G G A

・・・

・・・

C A

A

A T G G A

・・・

・・・

C A T A T G C T

・・・

（祖先）

（生物種

_A

）

（生物種

B

）

_A

A

A

並列

_{Murasaki：霊長類ゲノムの比較}

代表的遺伝子の比較：

ALDH2

（アルデヒド分解酵素）

human

chimp

rhesus

１２番染色体

１１番染色体（予測）

１３番染色体

並列

_{Murasaki：霊長類ゲノムの比較}

代表的遺伝子の比較：

ALDH2

（アルデヒド分解酵素）

human

chimp

表示システム

_GMV:

GTK+ Murasaki Viewer

u

Murasaki の出力を可視化する

GMVへのブラウザ機能の追加

GMVへのブラウザ機能の追加

u

アンカーのつながりを確認

l

アンカーをクリックすると各配列上のアンカーで結ばれた

領域を表示

注目

箇所

GMVへのブラウザ機能の追加

u

データベースにもリンク可能

GMVへのブラウザ機能の追加

u

アノテーション情報の検索

Bacillus 属バクテリア

①

_{Bacillus 属は好気性の真正細菌}

②

モデル生物として有名な枯草菌や炭疽菌などが，この種に含

まれる

③

納豆を作る納豆菌は，枯草菌の近縁種である

④

Bacillus 属3 種のゲノム配列，B. subtilis Merburg168（枯草

菌），

B. subtilis BEST195（納豆菌）， B. subtilis ネパール株

納豆菌（

_{Bacillus subtilis natto ）のゲノム}

(Nishito et al., BMC Genomics, 2010)

T

・

・

・

・

・

A

・

・

・

・

納豆菌

ゲノム

G C

A

T

G

C

γ-ポリグルタミン酸

(γPGA)

ドラッグデリバリーシステム

水の浄化

（朝日新聞 朝刊科学面

２０１０年５月１４日）

サプリメント

化粧品

納豆菌ゲノムの遺伝子解析

1. 総遺伝子数：4,429

納豆菌固有：

_{670 （15.1％）}

枯草菌と共通：

3,612 （81.6％）

Bacillus属と共通：3,612＋147 （84.9％）

2. DDBJにゲノム配列を登録

3. 納豆菌ゲノムブラウザー

http://www.natto-genome.org/

納豆菌ゲノムの解読から分かること

1.

ゲノム全長：

410万塩基対，総遺伝子数：4,429

2.

γポリグルタミン酸の合成関連遺伝子群

p

非常に高い吸水性，保湿力，カルシウム結合能 ⇒ 化粧品，石鹸，

サプリメント，納豆樹脂（紙オムツ，水質浄化剤），など

3.

ナットウキナーゼ遺伝子

p

プロテアーゼの一種 ⇒ 血栓溶解能，血圧降下，コレステロール

低下などの血中脂質改善

4.

エラスターゼ遺伝子

p

エラスチン（動脈などの弾性繊維の主成分）の分解 ⇒ 動脈硬化

症，高血圧，糖尿病，などの改善

5.

納豆菌ゲノムブラウザー

http://www.natto-genome.org/

納豆のねばねば（

_{γポリグルタミン酸）}

①

納豆のねばねばは，アミノ酸の一つであるグルタミン酸が

10,000個以上直鎖状につながった高分子

（

グルタミン酸ナトリウムは化学調味料）

②

グルタミン酸同士の結合（ペプチド結合）に，タンパク質では

_{α位のカルボキ}

シル基が使われているが，ねばねばでは

γ位が使われている

⇒

_{γポリグルタミン酸}

③

生体のたんぱく質を構成するアミノ酸は

_{L型であるが，γポリグルタミン酸には}

50-80％の割合で光学異性体のD型が含まれる

アミノ酸

グルタミン酸

２つの

カルボキシル基

側鎖

納豆のねばねば（

_{γポリグルタミン酸）}

④

納豆菌にとっての

_{γポリグルタミン酸は，細胞過密で栄養源が不足したとき}

の栄養貯蔵物質

γポリグルタミン酸は生産者である納豆菌自身によって分解される

分解酵素：

γグルタミルトランスフェレース

（

GGT，ヒトではγGTP），YwrD

クオーラムセンシングと呼ばれる細菌が

自己の密度（仲間が周りにたくさんいること）

を感知する仕組みが関与

⑤

_{γポリグルタミン酸の化学構造（自然界でも稀な存在で，Bacillus 属細菌の}

一部で見られる）は，他の細菌・微生物などに貯蔵物質を横取りされないた

めの工夫

⑥

化粧品や飲料，石鹸などに

_{γポリグルタミン酸を添加した製品が市販されて}

いる．カルシウム結合能に注目したサプリメント錠剤も市場に出ている

納豆菌，枯草菌のゲノム比較

枯草菌ゲノム

納豆菌ゲノム

アジア株ゲノム

納豆菌に大きな

欠失がみられる

納豆のねばねば成分合成のメカニズム

納豆菌ゲノム：

枯草菌（１６８）は納豆を作らず，納豆菌はねばねばを作る

大豆に枯草菌をかけた場合

大豆に納豆菌をかけた場合

トランスポゾンとは （可動性因子）

IS4Bsu1

5

Is256

6

ISBma2-like transposase

12

IS643-like transposase A

3

IS643-like transposase B

ISLmo1-like transposase A

11

ISLmo1-like transposase B

•

トランスポゼース

• ゲノム上を転移するための酵素

•

枯草菌：

トランスポゾンを一つも

持たない

•

納豆菌：

トランスポゾンを複数持つ

頻繁に移動しており，遺伝子を破壊

トランスポゼース

ITR

ITR

発見されたトランスポゼースの一覧

逆向きの反復配列

トランスポゾンによる遺伝子

_{yjoB の切断}

納豆菌ゲノム

枯草菌ゲノム

yjoB：ATPase

タンパク質の分解に関与

納豆菌ではこのタンパク質が機能していない可能性

ねばねば合成遺伝子に挿入されると，ねばねばが作られな

い

ISLmo1-like transposase

納豆菌による

γPGAの合成経路

ComQ

ComP

ComX

ComA

ComA

P

DegQ

DegU

DegU

P

+

YvzD

YwsC

PgsC

PgsA

glutamate

γPGA

YwtD

_glutamate

YwrD

DegS

SigD

YcgN

GltA

GudB

+

Spo0A

AprN

RocA

GltD

RocG

クオーラムセンシング

（自己の密度の感知）

シグナル伝達

γPGA合成

酵素

グルタミン酸

合成

γPGA分解

転写制御

ナットウキナーゼ