アミノ酸とコドン

様々な疾患の発症、増悪に関与しているといわれている活性酸素であるが、これには多くの分子種が含まれる。その中の過酸化水素は安定性が高くそのために反応性が低い、すなわち毒性が低い分子種であるが、フェントン反応などにより極めて反応性が高いヒドロキシルラジカルへと変換される。さらに、過酸化水素は安定性が高いために物理的な寿命が長いこともあり、細胞内には過酸化水素の分解酵素が存在している。
過酸化水素の主な分解酵素としてグルタチオンペルオキシダーゼ（GPx）が上げられる。GPxはその活性中心にセレンをセレノシステイン（Sec）の形で持っている、いわゆるセレノプロテインの1種である。Secはシステインのイオウ部分がセレンに置き換わった分子構造を持つ。セレノプロテインは真正細菌、古細菌、真核生物と生物界に広く存在している。

タンパク質を構成するアミノ酸は、教科書的には対応するコドンを持つ20種類であるとされているが、実際にはそれら以外の他種類のアミノ酸で構成されている。20種以外のアミノ酸残基は翻訳後修飾によって合成されるが、このSecは例外でありオパールコドンによりコードされている。通常であれば伸長反応が停止するはずであるが、セレノプロテインの3’UTRにはセレノシステイン挿入配列（SECIS）と呼ばれる配列があり、ここにある因子が結合することによりSecが挿入されることになる。このようにして本来終止コドンであったオパールコドンを異なるコドンに読み替えているのである。

2002年にこのような特殊なアミノ酸がもう一つ見つかっている。このアミノ酸、ピロリシン（Pyl）はリジンにピロリン環が結合した形を持ち、アンバーコドンでコードされている。Secと異なりPylは、今のところ古細菌でのみ見いだされており、このことはPylの翻訳系が古細菌の分岐後できたことを示唆する。Secが普遍的に存在することからPylはSecよりも遅れてやってきたのかもしれない。
しかし、この考えにも問題がある。なぜならば、Plyは他の20種のアミノ酸と同様にアミノアシルtRNA合成酵素によってtRNAに直接結合させられることによりアミノアシルtRNAとなるが、Secはまずセリンの形でアミノアシルtRNA合成酵素によってtRNAに結合し、その後結合状態のままで修飾を受けセレノシステイル-tRNAになるからである*1。他のアミノ酸と合成方法に共通性が高いPylは、この観点からみれば、Secよりも早くやってきたように思える。さらにPylはSECISのような構造を必要としないことや、Pylを持つ生物において、アンバーコドンが終止コドンとして使用される率が他の終止コドンと比べて著しく低いという報告もある*2。
かつて遺伝暗号は固定されていると考えられていたが、コドン捕獲説の提唱以来実際には現在でも進化の途上にあることがわかってきている。これらの2種類のアミノ酸とそのコドンもその顕著な例なのだろう。

1：複雑なセレノシステイル-tRNA合成経路はセレンの持つ毒性の影響を最小限にするためかもしれない。また、大量に存在するイオウとセレンを厳密に分ける手段として存在している可能性もある。

2：Zhang Y, Baranov PV, Atkins JF, Gladyshev VN. Pyrrolysine and selenocysteine use dissimilar decoding strategies. J Biol Chem. 2005;280:20740-51.

マイクロアレイ法を用いた分子進化研究

最近のマイクロアレイ法は、アレイ作成および検出などの技術面およびデータ解析手法の向上、また価格面の低下により、遺伝子発現解析方法として身近なものとなってきている。
分子進化の研究においてもアレイを用いた研究がしばしば見られるようになってきた。
2006年にGiladらがNatureに報告したletterもマイクロアレイ法を用いた研究である＊1。
この研究ではHuman、Chimpazee、Orangutan、およびRhesus macaqueを選択し、1056個のorthologousな遺伝子をプローブとして１つのアレイ上に配列している。
これまでのヒトの配列に基づいてデザインされたアレイでは、ミスマッチが生じるためにintensityから発現量を見積もるときにバイアスがかかってしまうが、このバイアスが除かれることになる。また、各種ごとにアレイを作成して比較するよりも、アレイ間に生じる誤差が排除されるために、誤差の少ない結果が得られる。このアレイを用いて、各種それぞれ雄5個体の肝臓における発現プロファイルを比較検討している。

論文中のTable１を見ると、発現が異なる遺伝子の数は、それぞれの種間でおよそ110から180の範囲である。例えばヒトとチンパンジーでは110であった。
ヒトと他の3種間で発現パターンが異なったものは19遺伝子で、そのうちヒトにおいてのみ発現量が高いものは14であった。この14遺伝子の中には5つの転写因子が含まれている。アレイ中には10%の転写因子が存在しているので、この割合は42%（5/12）と有意に高い（p=0.003）。他の種、例えばチンパンジーにおいてのみ発現量が高い遺伝子にはこのような傾向は見いだせなかった。また、この転写因子遺伝子の発現レベルの急速な進化に加えて、塩基配列の急速な進化も見られることが文献的に示されている。ヒトの進化において転写因子は重要な役割を持つのだろう。

ここで私が疑問に思うのはなぜ著者らが肝臓をサンプルとして用いたのか、ということである。
よく知られているように肝臓にはinducibleなタンパク質が多く発現している。これらの発現には転写因子も関与しており、ヒトの食生活など、他の種とは大きく異なる後天的な要因に起因する発現変化もあるのではないかと思う。むろんこのような変化は遺伝しない。こう考えると、違う組織をサンプルとして用いたほうがよいのではないかと思うが、なにか理由があるのだろう。

以前に「ヌクレオチド置換型突然変異の頻度」で紹介したダーウィンフィンチの進化に関する研究もマイクロアレイを用いたものである。今後はこういった研究が増えていくのではないだろうか。

１： Gilad Y, Oshlack A, Smyth GK, Speed TP, White KP. Expression profiling in primates reveals a rapid evolution of human transcription factors. Nature. 2006;440:242-5.

月の名について

11月も半ばが過ぎ、今年もそろそろ終わりである。11月は英語でNovemberだが、この単語の語源がラテン語のNovemberであることはよく知られている。有機化学を学んだ経験があるものならすぐ気づくのだが、novemは数字の9であり、Novemberは９番目の月の意味となる。
9番目の月という意味であるにもかかわらず、11月となったのはむろん理由があるのだが、しばしば間違った理由で記憶されている。

その誤った理由とはこのようなものである。もともとSeptemberはラテン語では７番目の月の意味通り７月を意味し、Octoberは同じく８月を意味していた。ところが、帝政の基礎を築いたJulius Caesarがそれまでの暦よりも精度の高いユリウス暦に改革したとき、自分の誕生日がある７月をJuliusと名付けてはめ込んでしまった。さらに初代ローマ皇帝となるAugustusも養父であるCaesarをまねて、トラキア、アクティウムの戦いの戦勝記念として8月をAugustusとして組み込んでしまい、結果として元の７月（September）、８月（October）は後ろにずれ込んで9月、10月となってしまった。

実際はこれとは異なっている。ローマの暦ができたときには（これはローマの建国者Romulusによる制定とされている）、現在は1月がその年の始まりであるが、Martius（3月）がその始まりとされていた。そして1ヶ月は30あるいは31日で、December(10月)でその年は終わる。そして冬の間は暦がなく、春の訪れとともに暦が始まるのである。これは、その当時は冬の間は農耕にしても軍事にしても何もできない状態であったので、暦が不要であったためではないかとされている。もちろんこのような暦は文明が少しでも進歩し、冬にも活動可能となるとたちまち不便になる。そのため次代の王によって11月および12月が創設された。このとき11月はローマの門神であるJanusを讃えてJanuariusと名付けられた。

この時点の5月はQuintilis（5番目の月）であり、6月はSextilis（6番目の月）である。すなわち月と言葉の意味が一致している。そしてそのまま3月を年初の月としていれば月と言葉の意味の不一致は生じなかったはずであるが、ローマの門神であるJanusの月が年の後ろにあるのはおかしい、年初がふさわしいという考え方が出てきた。そのため、Januariusを1月に変更し、Februariusを2月と後方に2ヶ月ずつずらしてしまった暦が考案された。この暦ではQuintilisは7月、Sextilisは8月、そして9番目の月であるNovemberは11月となってしまう。

この暦は公的に採用されたのであるが、元のMartius（3月）が始まりである暦に戻されたこともあった。また民間ではMartius（3月）が年初である暦が利用され続いていた。最終的に、Januariusが1月となったのはユリウス暦からである。
CaesarはJulius(7月)を組み入れたのではなく、すでに7月を意味するようになっていたQuintilisをJuliusに変更したのである。

レトロポゾンを指標とした系統分類

進化と呼ばれる現象に関する誤解はしばしば見いだされる。
例えばYahooの掲示板の中でも、下記のような発言がみられた。

＞ＤＮＡの解析からカバが鯨になるのに六千万年掛かったことが分かっています。生物の進化というのは、そのくらいのスパンで考えて下さい。

むろんカバがクジラになったわけではなく、カバとクジラの共通祖先からそれぞれが別れたのが6000千万年前だということである。
このような誤解の延長に、「サルはいつヒトになるのか？」といった質問があるのだろう。

さて、カバとクジラの類縁関係は、本邦では東工大の岡田らによるレトロポゾンを利用した研究が著名である*1。これまでの形態などに由来する古典的系統分類では、クジラ類に対して偶蹄目は単系統であると考えられていた。しかし、彼らの研究によってそれが否定されてきている。

従来の形態的特徴による分類法による結果と、核やミトコンドリアDNAの塩基配列を元にした分類では、しばしばその結果に不一致が見いだされている。これはその一例であるといえるだろう。見た目というのは素人にもわかりやすいものだが、それは必ずしも正しいわけではないようである。現在の進化学は高度に専門化された分野となっている。

１：http://www.evolution.bio.titech.ac.jp/

インシュリンC-peptide

よく知られていることだが、タンパク質を構成するアミノ酸鎖の一次配列進化速度は一様ではない。すなわちそのタンパク質の持つ機能に関して重要な部分とそうでない部分においては進化速度に差が存在する。ヘモグロビンのヘム結合部位周辺と表面部位におけるアミノ酸置換率kaaは10倍程度の差があることが知られている*1。これは言うまでもなく、ヘモグロビンの機能においてヘム結合部位周辺のアミノ酸残基が重要な役割を果たしているためである。

Ｓａｎｇｅｒによって最初にアミノ酸配列が明らかにされたプロインシュリンが3つのペプチド鎖からなる構造を持っていることはよく知られている。この中のインシュリンに変換される過程で切り捨てられるC-peptideは、かつては機能を持たないと考えられ中立進化の一例としてしばしば上げられてきた。例えば「生物進化を考える（木村資生著、岩波新書）」においてこのように記載されている。
「インシュリンについては進化におけるアミノ酸置換率は1年あたり0.4x10^-9と遅いことがわかっているが、切り離し捨てられる部分Cにおけるアミノ酸置換率はインシュリンの率の数倍になる」（p210）

ところが生理的役割を持たないと考えられていたC-peptideは、1997年のScience*2で生理活性を持つことが示唆されて以来その生理活性に関する研究がなされており、性質が明らかにされつつある。その生理作用は血管内皮細胞からのNO放出の促進に関与するらしい。

C-peptideの進化速度について調べてみたところ、残念ながら原著は見つけることができなかったが、下記サイト*3において記載を見いだした。これによるとインシュリンのアミノ酸置換率kaaは0.4x10^-9/yearであるに対してC-peptideのそれは2.4x10^-9/yearと6倍の速度を示すらしい。これらのプロインシュリン分子内のペプチドにおける進化速度の違いは何に起因するのだろうか？

C-peptideと同様のペプチドとして、フィブリノーゲンに由来するフィブリノペプチドがある。このペプチドのkaaは9x10^-9/year程度である。私が調べた範囲では、このペプチドには生理活性の存在は認められていない。この値に比べると小さい2.4x10^-9/yearという値はおそらくC-peptideの機能的重要性や高次構造の重要性に起因しているのだろう。
また、0.4x10^-9/year よりも大きな値は、C-peptideの生理作用がレセプター経由ではないために多少の立体構造の違いは無視できるためであるのかもしれない。あるいはC-peptide持つ生理作用の重要性はインシュリン本体よりも低いのかもしれない。
今後のC-peptideの生理作用に関する研究成果が待たれる。


1：Kimura M and Ohta. Mutation and evolution at the molecular level. Genetics.1973;73(Supplement):19-35.
2：糖尿病マウスにおいて、ヒトC-peptide投与により血管および神経機能障害が抑制あるいは低減され、また組織におけるNa+- and K+-dependent adenosine triphosphate activity活性が減少させられることが示されている。この作用はレセプター経由ではないらしい。(Ido Y. et al. Science 1997;277:531-2.)
3：http://www.primate.or.jp/PF/yasuda/40.html