核内受容体遺伝子の分子生物学

核内受容体遺伝子の分子生物学

佐賀大学農学部

助教授 和田康彦

本講義のねらい

• 核内受容体を例として脊椎動物における

分

子生物学的な思考方法

_{を体得する}

• 核内受容体遺伝子を例として脊椎動物にお

ける

遺伝子解析手法

_{を概観する}

• 脊椎動物における

核内受容体遺伝子の役割

について理解する

• ヒトや家畜における

核内受容体遺伝子研究

の応用

_{について理解する}

セントラルドグマ

• ゲノムDNAから相補的なｍ RNA（ﾒｯｾﾝｼﾞｬｰRNA)が転 写される • ｍRNAは核外に出て、その 塩基配列に従ってアミノ酸 が配置されて、タンパク質 が生成される • 真核生物のほとんどの遺 伝子はアミノ酸に翻訳され るエキソンと翻訳されない イントロンに分けられる ゲノムDNA ｍRNA 核外に移行する タンパク質の生成

遺伝子工学的手法の利点

• DNAとRNAという性質の良く似た２つの分子のみを メインに扱えば良い • DNAは丁寧に扱えば分解しない • ｃDNAの塩基配列を解読すればアミノ酸配列がわ かる • DNAやRNAを増幅したり切断したり結合したりする ことが簡単にできる • 統一的に情報をデータベースに整理できる • DNA タンパク質 生理作用の順に研究を進め ることができる

ｃDNAライブラリ

• 各組織、細胞からｍRNAを抽出する

• ｍRNAを

逆転写

してｃDNAを作成する

• ｃDNAをプラスミドやラムダファージに組み込

む

• プラスミドやラムダーファージを大腸菌の中で

増幅する

分子生物学的アプローチ

• まず遺伝子を探す – ｃDNAライブラリのスクリーニング • 塩基配列を決定する – アミノ酸配列がわかる • 遺伝子の発現を調べる – 臓器別、組織別、細胞別、発生時期別、動物種別 • 遺伝子間の相互作用を調べる – リガンドとレセプター – 転写制御

ビタミン

• ヒトが

体外から取り入れないといけない

微量

栄養素

• 栄養素のうちで糖質、脂肪、アミノ酸、無機質

以外の

_有機物

• 脂溶性ビタミン

（A,D,E,K)と

水溶性ビタミン

（B,C)、ビタミン様作用因子に分けられる

• ビタミンA,D

は核内受容体を通して、いろいろ

な

遺伝子の転写制御

_{を行っている}

ホルモン

• 生体内の特定の細胞で生 産、分泌される • 体液を通して標的細胞を刺 激する • 体液を通した情報伝達の 媒体 • ホルモンの種類は全脊椎 動物で共通 • ステロイドホルモンや甲状 腺ホルモンは核内受容体 を通して、いろいろな遺伝 子の転写制御_{を行っている} ホルモン分泌細胞 標的細胞 血管 リンパ管 ホ ル モ ン ホ ル モ ン

受容体（レセプター）

• 生体内で各種の信号を生 化学的に伝達するセンサー の役割を持つタンパク質 • リガンドが結合することに よって下流への信号を ON/OFFする • 細胞膜上に存在するもの、 細胞質中に存在するもの、 核内に存在するものなど多 数あり • 生体内で非常に重要な作 用をしており、医学、薬学、 農学などの応用面でも重要 情報伝達物質（リガンド） 受容体 （レセプター） 他の物質への情報伝達 または他の遺伝子の転写制御

水溶性リガンド

• 細胞膜を貫通できないので

受容体は細胞膜

上

_{になければいけない}

• 受容体を通して細胞内へ

情報伝達されるス

ピードが速い

• 血中での半減期が短く、

すぐに分解される

（１

日以内）

• 血中濃度、血中での動態

が情報伝達を左右

する

脂溶性リガンド

• 輸送タンパク質などに包み込まれた形で体液内を 移動する • 細胞膜を貫通できるので受容体は細胞質もしくは核 内_{に存在する} • 受容体を通して細胞内へ情報伝達されるスピードが 遅い • 血中での半減期が長く、すぐには分解されない • 余分なリガンドが脂肪細胞中に蓄積されやすい • 過剰摂取による副作用がある

核内受容体

• おもに核内に存在する受容体

• ゲノムDNA上の

標的配列

に結合する

• ステロイドホルモンやビタミンDのような低分

子脂溶性物質を

リガンド

_とする

• 標的配列近傍の遺伝子の

転写を制御

する

• １つの遺伝子から

多くの核内受容体遺伝子

群が進化したらしい

• リガンドはさまざま、生理作用も多様

転写制御因子としての核内受容体

• 核内受容体にリガンドが結合することによって近傍 の遺伝子_{の転写（ｍRNAの生成）を制御する} • 転写を促進する場合も抑制する場合もある • 核内受容体が他の転写制御因子の転写を制御す る場合もある 遺伝子領域 ゲノムDNA 標的エンハンサー配列 核内受容体 ｍRNA 転写制御 タンパク質 転写制御因子 脂溶性リガンド

核内受容体の構造

• DNA結合領域（C領域）とリガンド結合領域（E領域） を持つ • DNA結合領域には２つのZnフィンガー構造を持つ • おもにＮ末端側のA/B領域が異なる A/B領域 C領域 D領域 E領域 F領域 NH₃ COOH C C C C Znフィンガー構造 Zn

核内受容体の種類

• クラス１

– レチノイド（ビタミンA誘導体）受容体、ビタミンD受 容体、甲状腺ホルモン_{受容体など}

• クラス２

– レチノイド（ビタミンA誘導体）受容体

• クラス３

– ステロイドホルモン（エストロゲン、アンドロゲンな ど）の受容体

• その他

分子系統樹

• アミノ酸配列またはDNA塩基配列をもとに作

成

_{した系統樹}

• 個々の

遺伝子の進化の系譜

を種を超えて示

している

• 短い配列では正しい系統樹が描けない

• 古い分岐は正しく推定できない場合がある

• 近隣結合法

や最尤法で推定する

核内受容体遺伝子の分子系統樹

エストロゲンレセプター （ESR) クラス１遺伝子群 ESR以外の ステロイドホルモンレセプター クラス２遺伝子

選択的スプライシング

• 真核生物では一般にゲノム上のイントロン領域が削 除された_{ｍRNAが核外に移行する} • 使用されるエキソンが異なる場合や、転写開始点が 異なる場合があり、これらは異なるタンパク質をコー ドしている エキソン１ エキソン２ エキソン３ エキソン４ ノーマルタイプのｍRNA エキソン３を持たないｍRNA エキソン２の途中に転写開始点があるｍRNA

核内受容体遺伝子の構造

• コーディング領域は２ｋｂｐ弱 • 多くの場合、長大な遺伝子領域を持ち、タンパク質コーディン グ領域はたくさんのエキソンに分割されている • 翻訳開始点が異なるアイソフォームを持つことが多い • 選択的スプライシング（エキソンの使い分け）が行われる場 合もある ニワトリ プロゲステロン受容体 遺伝子領域 ４０ｋｂｐ エキソン ８個 アイソフォーム ２種 マウス レチノール酸受容体α 遺伝子領域 ２４ｋｂｐ エキソン ９個 アイソフォーム ７種

標的エンハンサー配列

• 核内受容体のDNA結合領域が結合するゲノム DNA上の塩基配列 • 核内受容体と標的エンハンサー配列は共進化して いる エストロゲンレセプターの標的配列 AGGTCAＸＸＸＴＧＡＣＣＴ パリンドローム型標的配列 ダイレクトリピート型標的配列 甲状腺ホルモンレセプターの標的配列 ＡＧＧＴＣＡＸＸＸＸＡＧＧＴＣＡ

創薬のターゲットとしての核内受容体

• 低分子脂溶性物質

は薬にしやすい

• ホルモンやビタミンの代謝異常などのトラブ

ルによる病気が多い

• 核内受容体が隘路であって

キー分子

である

• レセプターに結合して、本来のリガンドに代

わって信号を伝達する物質を

アゴニスト

と呼

ぶ

• レセプターに結合して本来のリガンドの結合

を阻害する物質を

アンタゴニスト

_と呼ぶ

アゴニストとアンタゴニスト

アンタゴニスト 本来のリガンドが 結合できない アゴニスト 本来のリガンドと同等もし くは強い効果を持つ

天然ステロイドと環境ホルモン

• 野草やハーブなどには天然ステロイドが含まれてい ることがある • 天然ステロイドはステロイドホルモン受容体などの アゴニストやアンタゴニストとなって生体内分泌機能 を撹乱_{することがある} • 人工的に作られた化学物質の中にも同様の機構で 内分泌機能を撹乱するものがある • 最近ではこれらを総称して環境ホルモンと呼ぶこと がある • 環境ホルモンは同様の機構で薬の薬理作用を阻害 する場合がある

核内受容体のまとめ

• 核内のゲノムDNAの標的配列に結合するタンパク質 • ステロイドホルモンなどの脂溶性リガンドの受容体（レセプ ター） • 脂溶性リガンドの生理作用をになう転写制御因子 • 多くの遺伝子ファミリーを持つスーパーファミリーを形成 • リガンドが未知の核内受容体が多い • 創薬のターゲット遺伝子群の１つ • リガンドの生理作用のない臓器や組織でも発現している（未 知の機能？）

レポートの課題

核内受容体の機能と構造について分子生物 学的な見地から８００字程度で説明しなさい。