遺伝学 · 3.1
遺伝的変異
Genetic variations
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🧠 遺伝的変異genetic variation 遺伝的変異(genetic variation)genetic variation(遺伝的変異) は「原因(自然発生spontaneous自然発生(spontaneous)spontaneous(自然発生) vs 誘発)」「体細胞か生殖細胞系列か」「大きさ(ゲノム/染色体/小規模)」「位置(プロモーター/エクソン/イントロン等)」「機能への効果(機能獲得gain of function機能獲得(gain of function)gain of function(機能獲得)/機能喪失)」「適応度への影響(中立/有害)」という6つの軸で分類できる、と読む。 変異と多型は歴史的には「病気を起こすか・頻度1%を超えるか」で区別されてきたが、現在は中立的な「配列バリアントsequence variant配列バリアント(sequence variant)sequence variant(配列バリアント)」という呼び方が推奨される——同じDNADNA(deoxyribonucleic acid)変化でも、それをどう呼ぶかは臨床的意味づけの問題であって、変化そのものの性質ではない。
変異 vs 多型:用語の変遷
| 立場 | 変異 | 多型 |
|---|---|---|
| 旧来の定義 | 疾患を引き起こす変異、稀な変異 | 人口頻度1%超の変異、非有害・中立な変異 |
| 推奨される定義 | DNAの突発的な遺伝性変化 | 既知の人口頻度をもつDNA変異(頻度の下限なし、集団遺伝学population genetics 集団遺伝学(population genetics)population genetics(集団遺伝学) 研究に利用可能) |
💡 現在は「変異」「多型」という価値判断を含む言葉より、中立的な用語が推奨される。 「配列バリアントsequence variant配列バリアント(sequence variant)sequence variant(配列バリアント)」「アルタレーションalterationアルタレーション(alteration)alteration(アルタレーション)」「アレル変異体allelic variantアレル変異体(allelic variant)allelic variant(アレル変異体)」——これらは病原性の有無を前提としない中立的表現。「変異」は今なお、同一個体の生殖細胞系列DNAを参照配列として検出された最近の変異イベントの結果を指す場合に使われることもあるが、慣用的には依然「証拠のある疾患原因DNAバリアント」の意味でも使われ続けている。
ゲノム内変異の種類
| 分類 | 内容 |
|---|---|
| SNP/SNV(single nucleotide polymorphism/variation) | 1塩基の置換として生じる短い変異 |
| 構造的変異structural variation構造的変異(structural variation)structural variation(構造的変異) | 欠失・重複などのコピー数変異 copy number variation, CNV コピー数変異(copy number variation, CNV) copy number variation, CNV(コピー数変異) (CNV)に加え、逆位inversion逆位(inversion)inversion(逆位)・転座などを含む。サイズ境界は解析法や定義により異なる |
⭐ 個人間のゲノム差はSNPだけでは表せない。 CNV領域は多数の遺伝子・機能領域を含み、個人間でSNPより多くの塩基内容の差に寄与しうる。ただし「全差異0.5%=SNP 0.1%+CNV 0.4%」のような固定的 fixed 固定的(fixed) fixed(固定的) な内訳は、対象集団study population 対象集団(study population)study population(対象集団) や検出法によって変わるため用いない。1
変異の原因:自然発生 vs 誘発
flowchart TD
A["変異の原因"]
A --> B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='spontaneous'>自然発生</span>"]
A --> C["誘発:環境因子=<span class='jp-term jp-term-diagram' title='mutagen'>変異原</span>"]
B --> D["塩基の自然<span class='jp-term jp-term-diagram' title='chemical reaction'>化学反応</span>:<span class='jp-term jp-term-diagram' title='tautomerization'>互変異性化</span>・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='depurination'>脱プリン化</span>(depurination)・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='deamination'>脱アミノ化</span>(deamination)"]
B --> E["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='deoxyribonucleic acid'>DNA</span>関連過程のエラー:複製・組換え・修復"]
C --> F["物理的:放射線・熱・UV・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='ionizing radiation'>電離放射線</span>"]
C --> G["化学的:<span class='jp-term jp-term-diagram' title='natural toxin'>天然毒</span>素・合成物質・実験室試薬・汚染物質・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='chemotherapeutic agent (chemotherapeutic drug)'>化学療法薬</span>"]
C --> H["生物学的:ウイルス"]
⚠️ 変異ホットスポットになるのは、主にメチル化されたCpGジヌクレオチドである。 5-メチルシトシンは自然脱アミノ化 deamination 脱アミノ化(deamination) deamination(脱アミノ化) によりチミン thymine, T チミン(thymine, T) thymine, T(チミン) へ変わりやすく、修復されなければC→T変異として固定される。したがって、変異ホットスポットとしてのCpGジヌクレオチドとCpGアイランド CpG island CpGアイランド(CpG island) CpG island(CpGアイランド) 全体を同一視しない。2 DNAメチル化(DNA 機能 regulationの一部、03-2-epigenetics参照)が同時に変異の偏りを生むという二面性がある。
細胞周期チェックポイントとDNA修復
多細胞生物の細胞周期(G0→G1→S→G2→M)には制限点restriction point制限点(restriction point)restriction point(制限点)があり、DNAの正確性・完全性completeness完全性(completeness)completeness(完全性)、および全染色体の紡錘体 mitotic spindle 紡錘体(mitotic spindle) mitotic spindle(紡錘体) 微小管への適切な結合が監視される。チェックポイントcheckpoint チェックポイント(checkpoint)checkpoint(チェックポイント) 機構の構成要素(センサー・トランスデューサー・エフェクター)の1つがBRCA1。
⭐ DNA修復の欠陥はそれぞれ特徴的な疾患を生む——修復経路 The HR repair pathway 修復経路(The HR repair pathway) The HR repair pathway(修復経路) と疾患の対応表を押さえる。
| DNA修復機構 | 内容 | 関連疾患 |
|---|---|---|
| 直接修復direct repair直接修復(direct repair)direct repair(直接修復) | 鋳型不要、主に原核生物 | — |
| 除去修復excision repair除去修復(excision repair)excision repair(除去修復) | 鋳型が必要、真核生物 | 色素性乾皮症xeroderma pigmentosum 色素性乾皮症(xeroderma pigmentosum)xeroderma pigmentosum(色素性乾皮症) (ヌクレオチド除去修復nucleotide excision repair (NER) ヌクレオチド除去修復(nucleotide excision repair (NER))nucleotide excision repair (NER)(ヌクレオチド除去修復) 酵素の欠損) |
| ミスマッチ修復mismatch repair, MMRミスマッチ修復(mismatch repair, MMR)mismatch repair, MMR(ミスマッチ修復) | DNAポリメラーゼの校正機能 proofreading 校正機能(proofreading) proofreading(校正機能) に続く誤りの訂正 | 遺伝性非ポリポーシス polyposisポリポーシス(polyposis) polyposis(ポリポーシス)大腸がん(HNPCC/リンチ症候群Lynch syndrome リンチ症候群(Lynch syndrome)Lynch syndrome(リンチ症候群) :常染色体優性、7つの異なる遺伝子、非遺伝性non-hereditary 非遺伝性(non-hereditary)non-hereditary(非遺伝性) 大腸がんより若年(44歳)で発症、最も頻度の高い遺伝性疾患の1つ) |
| 二本鎖切断修復double strand break repair二本鎖切断修復(double strand break repair)double strand break repair(二本鎖切断修復) | 相同組換えhomologous recombination 相同組換え(homologous recombination)homologous recombination(相同組換え) (homologous recombination:姉妹染色分体 sister chromatid姉妹染色分体(sister chromatid) sister chromatid(姉妹染色分体)・相同染色体homologous chromosomes 相同染色体(homologous chromosomes)homologous chromosomes(相同染色体) を鋳型に、交差あり/なし)と非相同末端結合 non-homologous end joining (NHEJ) 非相同末端結合(non-homologous end joining (NHEJ)) non-homologous end joining (NHEJ)(非相同末端結合) (NHEJ:non-homologous end-joining、鋳型不要) | ATM遺伝子変異(毛細血管拡張性運動失調症ataxia-telangiectasia 毛細血管拡張性運動失調症(ataxia-telangiectasia)ataxia-telangiectasia(毛細血管拡張性運動失調症) :ataxia-telangiectasia、常染色体劣性autosomal recessive 常染色体劣性(autosomal recessive)autosomal recessive(常染色体劣性) の神経変性疾患 neurodegenerative disease神経変性疾患(neurodegenerative disease) neurodegenerative disease(神経変性疾患)、放射線感受性radiosensitivity放射線感受性(radiosensitivity)radiosensitivity(放射線感受性)・多発腫瘍) |
💡 ミトコンドリアDNAmitochondrial DNA ミトコンドリアDNA(mitochondrial DNA)mitochondrial DNA(ミトコンドリアDNA) にも修復経路 The HR repair pathway 修復経路(The HR repair pathway) The HR repair pathway(修復経路) は存在する。 核DNAとミトコンドリアDNA mitochondrial DNA ミトコンドリアDNA(mitochondrial DNA) mitochondrial DNA(ミトコンドリアDNA) の双方で修復不全が神経変性疾患 neurodegenerative disease 神経変性疾患(neurodegenerative disease) neurodegenerative disease(神経変性疾患) と関連し、酸化的なミトコンドリアDNA mitochondrial DNA ミトコンドリアDNA(mitochondrial DNA) mitochondrial DNA(ミトコンドリアDNA) 損傷の蓄積は加齢関連神経変性 neurodegeneration 神経変性(neurodegeneration) neurodegeneration(神経変性) に関与しうる。「ミトコンドリアDNAmitochondrial DNA ミトコンドリアDNA(mitochondrial DNA)mitochondrial DNA(ミトコンドリアDNA) には修復機構がない」とする説明は不正確である。3
CRISPR/Cas9によるゲノム編集 genome editing ゲノム編集(genome editing) genome editing(ゲノム編集) : NHEJを利用すれば遺伝子不活化、HDR(相同組換え修復homologous recombination repair (HRR)相同組換え修復(homologous recombination repair (HRR))homologous recombination repair (HRR)(相同組換え修復))を利用すれば新規遺伝子導入 gene transfer 遺伝子導入(gene transfer) gene transfer(遺伝子導入) が可能。HDRは非分裂細胞で効率が低いが、相同性非依存的な標的挿入法では分裂細胞・非分裂細胞の双方を編集できるため、CRISPR/Cas9全体を「分裂中の細胞でのみ機能する」とは限定できない。4
体細胞変異 vs 生殖細胞系列変異
| 体細胞変異somatic mutation体細胞変異(somatic mutation)somatic mutation(体細胞変異) | 生殖細胞系列変異germline mutation生殖細胞系列変異(germline mutation)germline mutation(生殖細胞系列変異) | |
|---|---|---|
| 発生場所 | 体細胞 | 減数分裂前のDNA合成中 |
| 伝達 | 他の体細胞へは伝わるが、次世代へは伝わらない | 次世代へ遺伝する |
| 効果 | 細胞種・発生段階developmental stages 発生段階(developmental stages)developmental stages(発生段階) に依存(例:完全虹彩異色症 complete heterochromia 完全虹彩異色症(complete heterochromia) complete heterochromia(完全虹彩異色症) vs 分節性虹彩異色症sectoral heterochromia分節性虹彩異色症(sectoral heterochromia)sectoral heterochromia(分節性虹彩異色症)) | 遺伝性疾患の原因になりうる |
⭐ がんの大半は体細胞変異 somatic mutation 体細胞変異(somatic mutation) somatic mutation(体細胞変異) が原因で、複数の変異の蓄積を要する。 ドライバー変異driver mutationドライバー変異(driver mutation)driver mutation(ドライバー変異)=クローンに選択的増殖優位性を与える変異、パッセンジャー変異passenger mutationパッセンジャー変異(passenger mutation)passenger mutation(パッセンジャー変異)=クローンの適応度に影響しない変異——ドライバー変異 driver mutation ドライバー変異(driver mutation) driver mutation(ドライバー変異) はがん遺伝子・がん抑制遺伝子tumor suppressor gene がん抑制遺伝子(tumor suppressor gene)tumor suppressor gene(がん抑制遺伝子) に生じる(09-1-genetics-of-biological-processes参照)。
💡 単一細胞解析は、体細胞モザイシズムsomatic mosaicism 体細胞モザイシズム(somatic mosaicism)somatic mosaicism(体細胞モザイシズム) が健常組織にも広く存在することを示した。 健常者由来の皮膚線維芽細胞 dermal fibroblast 皮膚線維芽細胞(dermal fibroblast) dermal fibroblast(皮膚線維芽細胞) では、1細胞あたり平均約1,035個の主に良性のモザイクSNVが推定された。成人で細胞あたりSNV数の明確な増加がみられなかったことから、その多くは発生中に生じると考えられる。5
生殖細胞系列変異germline mutation 生殖細胞系列変異(germline mutation)germline mutation(生殖細胞系列変異) の頻度: 新生児は両親から平均60〜80個の新規点変異を受け継ぐ(父親由来 parent-of-origin 親由来(parent-of-origin) parent-of-origin(親由来) の方が多い)。STR(短鎖タンデム反復short tandem repeats, STR短鎖タンデム反復(short tandem repeats, STR)short tandem repeats, STR(短鎖タンデム反復))の変異率はSNVより著しく高い(6.9×10⁻⁴/遺伝子座/世代 vs SNVの10⁻⁸/世代)。
変異の分類:大きさ・位置・機能・適応度
①大きさによる分類
| 規模 | 内容 |
|---|---|
| 大規模genome mutation大規模(genome mutation)genome mutation(大規模) | 染色体数の変化 |
| 中規模chromosome mutation中規模(chromosome mutation)chromosome mutation(中規模) | 染色体構造の変化(02-2-chromosomal-aberrations参照) |
| 小規模(分子遺伝学的手法でのみ検出可能) | 欠失・挿入(DNA長を変える)、塩基置換・逆位inversion 逆位(inversion)inversion(逆位) (DNA長を変えない) |
②位置による分類
| 部位 | 効果 |
|---|---|
| プロモーター変異promoter mutationプロモーター変異(promoter mutation)promoter mutation(プロモーター変異) | 転写量の変化 |
| エクソン変異 | アミノ酸変化または短縮タンパク(終止コドンstop codon終止コドン(stop codon)stop codon(終止コドン)) |
| イントロン変異 | スプライシングエラーまたは調節異常 |
| ポリアデニル化polyadenylation ポリアデニル化(polyadenylation)polyadenylation(ポリアデニル化) 部位変異 | mRNA安定性の低下 |
| 5’/3’ UTR変異 | タンパク合成protein synthesis タンパク合成(protein synthesis)protein synthesis(タンパク合成) 量の低下、翻訳・局在の障害 |
| エンハンサーenhancerエンハンサー(enhancer)enhancer(エンハンサー)・サイレンサーsilencer サイレンサー(silencer)silencer(サイレンサー) 等の調節配列 regulatory sequence 調節配列(regulatory sequence) regulatory sequence(調節配列) 変異 | 転写量の変化(通常は低下) |
💡 スプライスドナー変異は「1つのエクソンを丸ごと消す」ことがある。 第2イントロンのスプライスドナー部位 splice donor site スプライスドナー部位(splice donor site) splice donor site(スプライスドナー部位) が失われると、スプライシング機構はその前のスプライスドナーを使ってしまい、エクソン9がエクソン11に直接連結 couple 直接連結(couple) couple(直接連結) され、エクソン10が完全に省略される——1塩基の変異が1つのエクソン全体の運命を左右する例。
③機能による分類
| 型 | 定義 | 遺伝形式 | 例外 |
|---|---|---|---|
| 機能獲得型変異gain-of-function mutation機能獲得型変異(gain-of-function mutation)gain-of-function mutation(機能獲得型変異) | 遺伝子産物が新規・異常な機能を獲得 | 通常優性(ヘテロ接合heterozygous ヘテロ接合(heterozygous)heterozygous(ヘテロ接合) でも発現) | — |
| 機能喪失型変異loss-of-function mutation機能喪失型変異(loss-of-function mutation)loss-of-function mutation(機能喪失型変異) | 遺伝子産物の機能低下・喪失 | 通常劣性 | 半数不全haploinsufficiency半数不全(haploinsufficiency)haploinsufficiency(半数不全)・優性阻害変異dominant negative mutation優性阻害変異(dominant negative mutation)dominant negative mutation(優性阻害変異)はヘテロ接合 heterozygous ヘテロ接合(heterozygous) heterozygous(ヘテロ接合) でも発現するため優性 |
⭐ FGFR3の機能獲得型変異 gain-of-function mutation 機能獲得型変異(gain-of-function mutation) gain-of-function mutation(機能獲得型変異) は「成長抑制シグナル inhibitory signal 抑制シグナル(inhibitory signal) inhibitory signal(抑制シグナル) の過剰」で骨を短くする。 線維芽細胞増殖因子受容体3fibroblast growth factor receptor 3 線維芽細胞増殖因子受容体3(fibroblast growth factor receptor 3)fibroblast growth factor receptor 3(線維芽細胞増殖因子受容体3) (FGFR3)は本来、成長板growth plate 成長板(growth plate)growth plate(成長板) 活性と長管骨 long bone 長管骨(long bone) long bone(長管骨) 成長を抑制する。その機能獲得型変異 gain-of-function mutation 機能獲得型変異(gain-of-function mutation) gain-of-function mutation(機能獲得型変異) (軟骨無形成症achondroplasia軟骨無形成症(achondroplasia)achondroplasia(軟骨無形成症)、achondroplasia)はこの抑制を過剰にし、低身長short stature 低身長(short stature)short stature(低身長) を招く。治療研究では、受容体活性化の遮断や下流シグナル downstream signal 下流シグナル(downstream signal) downstream signal(下流シグナル) の抑制など、FGFR3シグナルを弱める戦略が検討されている。6
半数不全haploinsufficiency 半数不全(haploinsufficiency)haploinsufficiency(半数不全) の例: MC4R(メラノコルチン4受容体melanocortin 4 receptor (MC4R)メラノコルチン4受容体(melanocortin 4 receptor (MC4R))melanocortin 4 receptor (MC4R)(メラノコルチン4受容体))変異は病的肥満(BMIBMI(body mass index)>40)の最も頻度の高い単一遺伝子性 monogenic 単一遺伝子性(monogenic) monogenic(単一遺伝子性) 原因——高度肥満 severe obesity 高度肥満(severe obesity) severe obesity(高度肥満) 患者の6%がMC4R変異を保有し、高脂肪量・高除脂肪量 fat-free mass除脂肪量(fat-free mass) fat-free mass(除脂肪量)・高インスリン血症hyperinsulinemia高インスリン血症(hyperinsulinemia)hyperinsulinemia(高インスリン血症)・過食hyperphagia 過食(hyperphagia)hyperphagia(過食) を呈する。POMC-MC4R系は視床下部弓状核 hypothalamic arcuate nucleus 視床下部弓状核(hypothalamic arcuate nucleus) hypothalamic arcuate nucleus(視床下部弓状核) で食欲調節に働く。マルファン症候群Marfan syndrome マルファン症候群(Marfan syndrome)Marfan syndrome(マルファン症候群) も半数不全 haploinsufficiency 半数不全(haploinsufficiency) haploinsufficiency(半数不全) の代表例。
優性阻害変異dominant negative mutation 優性阻害変異(dominant negative mutation)dominant negative mutation(優性阻害変異) の例: ケラチンkeratin ケラチン(keratin)keratin(ケラチン) 9遺伝子の優性阻害変異 dominant negative mutation 優性阻害変異(dominant negative mutation) dominant negative mutation(優性阻害変異) は表皮融解性掌蹠角化症 epidermolytic palmoplantar keratoderma 表皮融解性掌蹠角化症(epidermolytic palmoplantar keratoderma) epidermolytic palmoplantar keratoderma(表皮融解性掌蹠角化症) を起こす——変異はすべて、ヘテロ二量体形成heterodimerization ヘテロ二量体形成(heterodimerization)heterodimerization(ヘテロ二量体形成) に重要とされるロッドドメインのコイル1A領域という高度保存領域 conserved region 保存領域(conserved region) conserved region(保存領域) に集中する。正常アレルの機能を積極的に阻害するという点が単純な機能喪失と異なる。
④適応度による分類
大半の変異は見かけ上中立、ごく一部が有害(疾患を起こす)。しかし「中立」に見える変異も、①遺伝子-環境相互作用 gene-environment interaction 環境相互作用(gene-environment interaction) gene-environment interaction(環境相互作用) (環境因子への反応性を左右)、②遺伝子-遺伝子相互作用 gene-gene interaction 遺伝子相互作用(gene-gene interaction) gene-gene interaction(遺伝子相互作用) (他の変異の効果を修飾)、③疾患リスク・形質への寄与、という形で機能をもちうる。
💡 一部の「遺伝子欠損」はむしろ有利に働く。 CCR5-Δ32はHIVHIV(human immunodeficiency virus)抵抗性を、FUT2欠損はノロウイルス抵抗性を、LPA欠損は心筋梗塞・脳卒中リスク低下をもたらす——大半のこうしたバリアントは数千年前に1個体に生じ、選択的優位性により集団に広まった(08-2-evolution-genetics参照)。
反復配列とその変異
ヒトゲノムの46%が反復配列 repetitive sequence反復配列(repetitive sequence) repetitive sequence(反復配列)(大半は非コード領域)。
| 分類 | 単位長 | 例 |
|---|---|---|
| VNTR:ミニサテライト minisatelliteミニサテライト(minisatellite) minisatellite(ミニサテライト) | 10〜60 bp | テロメア |
| VNTR:マイクロサテライト microsatelliteマイクロサテライト(microsatellite) microsatellite(マイクロサテライト) | 2〜6 bp | 反復数拡大が原因の疾患8種、変異率が高い |
| 散在反復配列interspersed repeat 散在反復配列(interspersed repeat)interspersed repeat(散在反復配列) (トランスポゾンtransposon トランスポゾン(transposon)transposon(トランスポゾン) 由来) | — | SINE(例:Alu、ゲノムの10.6%)、LINE(例:L1) |
⚠️ トリヌクレオチド反復拡大trinucleotide repeat expansion トリヌクレオチド反復拡大(trinucleotide repeat expansion)trinucleotide repeat expansion(トリヌクレオチド反復拡大) は「動的変異dynamic mutation動的変異(dynamic mutation)dynamic mutation(動的変異)」——世代を経るごとに悪化しうる。 ハンチンチンHuntingtin ハンチンチン(Huntingtin)Huntingtin(ハンチンチン) 遺伝子のようなトリプレット反復 triplet repeat トリプレット反復(triplet repeat) triplet repeat(トリプレット反復) はコード領域・非コード領域のどちらにも存在しうるが、反復数が病的閾値を超えて拡大する動的変異 dynamic mutation 動的変異(dynamic mutation) dynamic mutation(動的変異) を起こすものはごく一部。
InDel(挿入・欠失、insertion-deletion)とフレームシフト frameshift フレームシフト(frameshift) frameshift(フレームシフト) : 挿入・欠失した塩基数が3の倍数でなければフレームシフト変異frameshift mutationフレームシフト変異(frameshift mutation)frameshift mutation(フレームシフト変異)、3の倍数ならインフレーム変異in-frame mutationインフレーム変異(in-frame mutation)in-frame mutation(インフレーム変異)——複製時のすべり(replication slippage)が原因になりうる。
⭐ デュシェンヌ型Duchenne type (DMD) デュシェンヌ型(Duchenne type (DMD))Duchenne type (DMD)(デュシェンヌ型) とベッカー型筋ジストロフィー Becker muscular dystrophy ベッカー型筋ジストロフィー(Becker muscular dystrophy) Becker muscular dystrophy(ベッカー型筋ジストロフィー) の違いは「フレームシフトframeshift フレームシフト(frameshift)frameshift(フレームシフト) か、インフレームか」で説明できる。 同じジストロフィン遺伝子 dystrophin gene ジストロフィン遺伝子(dystrophin gene) dystrophin gene(ジストロフィン遺伝子) の欠失でも、フレームシフトframeshift フレームシフト(frameshift)frameshift(フレームシフト) を起こす欠失は機能的タンパクを全く作れず重症のデュシェンヌ型筋ジストロフィー Duchenne muscular dystrophy (DMD) デュシェンヌ型筋ジストロフィー(Duchenne muscular dystrophy (DMD)) Duchenne muscular dystrophy (DMD)(デュシェンヌ型筋ジストロフィー) に、インフレームの欠失は部分的に機能するタンパクを作れる比較的軽症のベッカー型筋ジストロフィー Becker muscular dystrophy ベッカー型筋ジストロフィー(Becker muscular dystrophy) Becker muscular dystrophy(ベッカー型筋ジストロフィー) になる——同じ遺伝子・同じ変異型 mutant 変異型(mutant) mutant(変異型) (欠失)でも、「3の倍数か否か」だけで重症度が劇的に変わる好例。
トランスポゾンtransposon トランスポゾン(transposon)transposon(トランスポゾン) 挿入による逆位 inversion 逆位(inversion) inversion(逆位) の例: 第VIII因子遺伝子(F8)のイントロン22内とF8遺伝子外にあるL1反復配列 repetitive sequence 反復配列(repetitive sequence) repetitive sequence(反復配列) (トランスポゾンtransposonトランスポゾン(transposon)transposon(トランスポゾン))のミスペアリング mispairing ミスペアリング(mispairing) mispairing(ミスペアリング) による染色体内相同組換え homologous recombination 相同組換え(homologous recombination) homologous recombination(相同組換え) (intrachromosomal homologous recombination)が遺伝子逆位 inversion 逆位(inversion) inversion(逆位) を引き起こし、血友病A(Hemophilia A)症例の40%の原因になる。
塩基置換の型
| 分類 | 内容 |
|---|---|
| 転位transition転位(transition)transition(転位) | プリン⇔プリン、またはピリミジン⇔ピリミジンの置換 |
| 転換 | プリン⇔ピリミジンの置換 |
| 同義置換synonymous同義置換(synonymous)synonymous(同義置換) | アミノ酸変化なし |
| 非同義置換non-synonymous非同義置換(non-synonymous)non-synonymous(非同義置換) | アミノ酸変化、または終止コドン stop codon 終止コドン(stop codon) stop codon(終止コドン) 生成 |
💡 ミスセンス変異missense mutation ミスセンス変異(missense mutation)missense mutation(ミスセンス変異) は「症状を起こさない」わけではない——鎌状赤血球症がその反証。 一見軽微な1アミノ酸置換 amino acid substitution アミノ酸置換(amino acid substitution) amino acid substitution(アミノ酸置換) (ミスセンス変異missense mutationミスセンス変異(missense mutation)missense mutation(ミスセンス変異)、missense mutation)でも、鎌状赤血球症(sickle cell anemia、HBB遺伝子のGlu6Val置換)のように重篤な疾患を起こしうる。
多型の3つの意味
| 型 | 内容 | 例 |
|---|---|---|
| 表現型多型phenotype polymorphism表現型多型(phenotype polymorphism)phenotype polymorphism(表現型多型) | 正常だが異なる形質 | ABO血液型ABO blood groupABO血液型(ABO blood group)ABO blood group(ABO血液型) |
| タンパク多型protein polymorphismタンパク多型(protein polymorphism)protein polymorphism(タンパク多型) | — | 免疫グロブリン |
| 遺伝子多型genetic polymorphism遺伝子多型(genetic polymorphism)genetic polymorphism(遺伝子多型) | 見かけ上中立なバリアントという意味で今も使われる | — |
DNAバリアントの応用
一般的なSNP・STRは、①法医学 forensic medicine 法医学(forensic medicine) forensic medicine(法医学) 的マーカー(forensic genetics:個人識別 personal identification個人識別(personal identification) personal identification(個人識別)・親子鑑定paternity test親子鑑定(paternity test)paternity test(親子鑑定))、②集団遺伝学 population genetics 集団遺伝学(population genetics) population genetics(集団遺伝学) 研究(06-1-population-genetics参照)、③移住研究(人類史の追跡)、④出生前診断 prenatal diagnosis 出生前診断(prenatal diagnosis) prenatal diagnosis(出生前診断) における染色体マーカー、という多岐にわたる用途に応用される。
染色体変異と種分化
⭐ 極端な染色体変異は稀に新種の形成につながる——ヒト2番染色体はその生きた証拠。 ヒトの2番染色体は、類人猿の2本の染色体が末端同士で融合した結果生じたと考えられている——染色体レベルの大変異が、種としての分岐点 branch point 分岐点(branch point) branch point(分岐点) になった実例。
まとめ
- 変異と多型の区別は歴史的には頻度・病原性に基づいていたが、現在は「配列バリアントsequence variant配列バリアント(sequence variant)sequence variant(配列バリアント)」という中立的用語が推奨される。ゲノム内変異はSNP/SNV(最多)とCNV(構造的変異structural variation構造的変異(structural variation)structural variation(構造的変異)、量的にはより大きく寄与)に大別され、個人間差異0.5%(SNP0.1%+CNV0.4%)を生む。
- 変異は自然発生 spontaneous 自然発生(spontaneous) spontaneous(自然発生) (塩基の自然化学反応 chemical reaction化学反応(chemical reaction) chemical reaction(化学反応)・DNA関連過程のエラー、CpGアイランドCpG island CpGアイランド(CpG island)CpG island(CpGアイランド) がホットスポット)と誘発(物理的・化学的・生物学的変異原 mutagen変異原(mutagen) mutagen(変異原))に分かれ、細胞周期チェックポイントcell cycle checkpoint 細胞周期チェックポイント(cell cycle checkpoint)cell cycle checkpoint(細胞周期チェックポイント) とDNA修復機構(直接・除去・ミスマッチmismatch (base-pair mismatch)ミスマッチ(mismatch (base-pair mismatch))mismatch (base-pair mismatch)(ミスマッチ)・二本鎖切断修復double strand break repair二本鎖切断修復(double strand break repair)double strand break repair(二本鎖切断修復))がこれに対抗する。各修復経路 The HR repair pathway 修復経路(The HR repair pathway) The HR repair pathway(修復経路) の欠損は特徴的な疾患(色素性乾皮症xeroderma pigmentosum色素性乾皮症(xeroderma pigmentosum)xeroderma pigmentosum(色素性乾皮症)・HNPCC・毛細血管拡張性運動失調症ataxia-telangiectasia毛細血管拡張性運動失調症(ataxia-telangiectasia)ataxia-telangiectasia(毛細血管拡張性運動失調症))を生む。
- 体細胞変異somatic mutation 体細胞変異(somatic mutation)somatic mutation(体細胞変異) は次世代に伝わらないが腫瘍の主因(ドライバー/パッセンジャー変異passenger mutationパッセンジャー変異(passenger mutation)passenger mutation(パッセンジャー変異))となり、健常者でも体細胞モザイシズム somatic mosaicism 体細胞モザイシズム(somatic mosaicism) somatic mosaicism(体細胞モザイシズム) は想像以上に高頻度。生殖細胞系列変異germline mutation 生殖細胞系列変異(germline mutation)germline mutation(生殖細胞系列変異) は新生児あたり60〜80個(父親由来 parent-of-origin 親由来(parent-of-origin) parent-of-origin(親由来) が多い)、STRの変異率はSNVよりずっと高い。
- 変異は大きさ(大/中/小規模)・位置(プロモーター〜UTR〜スプライス部位 splice siteスプライス部位(splice site) splice site(スプライス部位))・機能(機能獲得gain of function 機能獲得(gain of function)gain of function(機能獲得) =優性、機能喪失=通常劣性だが半数不全 haploinsufficiency半数不全(haploinsufficiency) haploinsufficiency(半数不全)・優性阻害dominant-negative effect 優性阻害(dominant-negative effect)dominant-negative effect(優性阻害) は例外的に優性)・適応度(中立/有害、時に有利)という多軸で分類される。FGFR3/MC4R/ケラチンkeratin ケラチン(keratin)keratin(ケラチン) 9がそれぞれ機能獲得 gain of function機能獲得(gain of function) gain of function(機能獲得)・半数不全haploinsufficiency半数不全(haploinsufficiency)haploinsufficiency(半数不全)・優性阻害dominant-negative effect 優性阻害(dominant-negative effect)dominant-negative effect(優性阻害) の好例。
- 反復配列repetitive sequence 反復配列(repetitive sequence)repetitive sequence(反復配列) (ゲノムの46%)はミニ/マイクロサテライトmicrosatelliteマイクロサテライト(microsatellite)microsatellite(マイクロサテライト)・SINE/LINEに分類され、トリヌクレオチド反復拡大trinucleotide repeat expansion トリヌクレオチド反復拡大(trinucleotide repeat expansion)trinucleotide repeat expansion(トリヌクレオチド反復拡大) は動的変異 dynamic mutation 動的変異(dynamic mutation) dynamic mutation(動的変異) として世代を超えて悪化しうる。フレームシフトframeshiftフレームシフト(frameshift)frameshift(フレームシフト) vs インフレームの違いがデュシェンヌ型 Duchenne type (DMD)デュシェンヌ型(Duchenne type (DMD)) Duchenne type (DMD)(デュシェンヌ型)/ベッカー型筋ジストロフィーBecker muscular dystrophy ベッカー型筋ジストロフィー(Becker muscular dystrophy)Becker muscular dystrophy(ベッカー型筋ジストロフィー) の重症度差を説明する。
- 塩基置換は転位/転換、同義/非同義に分類され、DNAバリアントは法医学 forensic medicine法医学(forensic medicine) forensic medicine(法医学)・集団遺伝学population genetics集団遺伝学(population genetics)population genetics(集団遺伝学)・移住研究・出生前診断prenatal diagnosis 出生前診断(prenatal diagnosis)prenatal diagnosis(出生前診断) に応用される。極端な染色体変異は種分化にもつながりうる(ヒト2番染色体の融合起源)。
出典
- 1.Global variation in copy number in the human genome(Nature・2006)CNV領域は多数の遺伝子・機能領域を含み、個人間でSNPより多くの塩基内容の差に寄与しうる閲覧 2026-08-24
- 2.Methylation-mediated deamination of 5-methylcytosine appears to give rise to mutations causing human inherited disease in CpNpG trinucleotides, as well as in CpG dinucleotides(Human Genomics・2010)メチル化CpGの5-メチルシトシンは自然脱アミノ化によりCからTへの病的変異を生じやすく、CpGジヌクレオチドが変異ホットスポットとなる閲覧 2026-08-24
- 3.DNA repair deficiency in neurodegeneration(Progress in Neurobiology・2011)核DNAとミトコンドリアDNAの双方に修復経路があり、その修復不全と損傷蓄積が神経変性や加齢関連疾患に関与しうる閲覧 2026-08-24
- 4.In vivo genome editing via CRISPR/Cas9 mediated homology-independent targeted integration(Nature・2016)相同性非依存的標的挿入により、分裂細胞と非分裂細胞の双方でCRISPR/Cas9によるDNAノックインが可能である閲覧 2026-08-24
- 5.One thousand somatic SNVs per skin fibroblast cell set baseline of mosaic mutational load with patterns that suggest proliferative origin(Genome Research・2017)健常小児の皮膚線維芽細胞1個あたり平均約1,035個の主に良性のモザイクSNVが推定され、その多くが発生中に生じること閲覧 2026-08-24
- 6.Advances in treatment of achondroplasia and osteoarthritis(Human Molecular Genetics・2016)軟骨無形成症はFGFR3機能獲得変異により成長板と長管骨成長への抑制シグナルが過剰となり、治療研究はFGFR3シグナル低減を標的とする閲覧 2026-08-24