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Molecular pathogenesis

ミトコンドリアとは

アデノシン三リン酸（

ATP）

ATP ⇄ ADP + Pi ATP ⇄ AMP + PPi

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

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)

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tRNA

Leu(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tRNA

Lys

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

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 5 1

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

NH

2 Ser Gly Asp Lys Tyr Pro Asn

COOH

Protein

翻訳 (translation)

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

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 τm5_U 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 τm5_U 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

τm

5

U

U

τm

5

U

U

UUA

τm

5

U

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

B ound t R N A ( pm ol ) B ound t R N A ( 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 8 6 4 2 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

タウリン修飾は通常のG・Uとは異なる対合様式を示す

G・

τ

m

5

UはA35とスタッキングできる対合様式を示す

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 m5

_U

_AA

τ

UUG Mt tRNALeu(UUR)

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（

18

_{O）で標識したタウリンで}

m/z 399 (+1) m/z 402 (+4) R el at iv e A b u n d an ce UV 2 5 4 ( m AU ) U G τm5_s2_U m/z 398 (±0) [18_{O] 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 [15_{N] taurine} R el at iv e A b u n d an ce R el at iv e A b u n d an ce [15_{N ] taurine} H₂15_N S O OH O [18_{O] taurine} H2N S 18_O OH 18_O

Direct incorporation of [

18

O] or [

15

N]taurine

into

τm

5

s

2

U of mitochondrial 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

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。

(s

2

_)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)

τm

5

_(s

2

_)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.

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、

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 τm5_U 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。